欧美高能物理的竞争.ppt

CERN vs Fermilab,小组成员： 2010151609 胡力元 2010151614 许升 报告人：胡力元,（一）什么是高能物理？,高能物理(HEP)是一门大科学，与其他纯理论研究相比较，它的花费可谓巨大。高能物理学，即粒子物理学，是研究组成物质和射线的基本粒子以及它们之间的相互作用的物理学的一个分支。由于许多基本粒子在大自然在一般条件下不存在或不单独出现，物理学家只有使用粒子加速器在高能相撞的条件下才能生产和研究它们，因此粒子物理学也被称为高能物理学。高能物理研究的主要工具是加速器，特别是对撞机，让反向旋转的粒子束流在对撞机中对撞。,科学家们发现宇宙中任何物质都是由基本粒子组成的，其中一些粒子是稳定的，形成正常物质。另一些粒子生存极短时间，然后衰变成稳定粒子，所有这些粒子在宇宙大爆炸后共存瞬间。 物理学家们努力探讨物质的组成，以及是什么力把其组合在一起。粒子极端微小。要能探测到和研究它们，需要专门的工具，这些工具就是加速器。它们能将粒子加速到很高的能量，然后让它们对撞，产生其它粒子。在粒子发生对撞的地方，科学家们建起了大型探测器，能够观测和研究这些对撞，物理学家们可发现粒子的组成或创造新的粒子，以揭示它们之间相互作用的性质。,盖尔曼-西岛,粒子表（20世纪60年代）,摘自费曼物理学讲义（卷1）,(二)CERN和FERMILAB的简单介绍,欧洲核子研究中心 （European Organization for Nuclear Research,CERN） 欧洲核子研究中心（CERN）是世界上最大的粒子物理研中心。 CERN成立于1954年，位于瑞士和法国的边境，为欧洲第一个联合科研机构，主要为物理学家们提供必要的研究工具，即加速器和探测器。它建有世界上最大的正负电子对撞机LEP（Large Electron-Positron collider）和超级质子同步加速器SPS(Super Proton Synchrotron)，加速器将粒子几乎加速到光速，用探测器来探测粒子。CERN还开展了中微子发送到意大利 Gran Sasso的研究项目CNGS，旨在研究中微子振荡。,CERN现有20个成员国，雇用近3000人。他们是专业广泛的代表，包括：物理学家、工程师、技术员、管理人员、工人等。世界上的粒子物理学家有约6500人曾到CERN访问，从事研究工作，他们代表了500所大学和80多个民族。 CERN自成立以来已经取得了许多重要的发现，获得了多项著名的奖项，包括诺贝尔奖。 CERN同时也是环球网WWW(World Wide Web)的发源地，环球网是为改善和加速在世界上不同大学和研究所工作物理学家们之间的信息共享而开发出来的，而现在它的学术和商业的用户已达千百万。 CERN的加速器和探测器采用的是最先进的技术，CERN与工业部门的密切合作使双方受益。相关领域的附带发展现已融入人们的生活中，包括癌症治疗、医学和工业成像、辐射处理、电子学、测量仪器、新的加工工艺和新材料以及国际网络，而这些只不过是在CERN的粒子物理研究中开发出来的许多技术中的一部份。技术转让已经成为CERN开展基础研究这一主要任务不可缺少的一部分。,成为国际最大的核子研究中心,数十年来，CERN先后建成质子同步回旋加速器、质子同步加速器PS、交叉储存环（ISR）、超级质子同步加速器（SPS）、质子直线加速器（Linac2）、重离子直线加速器（Linac3）、大型正负电子对撞机（LEP）、大型强子对撞机LHC等大科学装置，形成了具有强竞争力的大科学装置群，吸引全世界一流的科学家到CERN开展研究，在粒子物理研究等领域取得了举世瞩目的成果，CERN从而成为名副其实的国际上最大的核子研究中心。,CERN鸟瞰,费米国家实验室（National Accelerator Laboratory，Fermilab） 美国费米国家加速器实验室原名为国家加速器实验室（National Accelerator Laboratory），根据美国总统林顿约翰逊1967年11月21日签署的法案建立，由当时的美国原子能委员会AEC负责管理。创建该所的R威尔逊（Robert R.Wilson）所长为该所建立的严格原则是：杰出的科学、艺术的瑰丽、土地的守护神、经费上精打细算和机会均等。 美国原子能委员会AEC从200多个建议中，选择美国中部伊利诺伊州芝加哥市以西30英里处韦斯顿（Weston）的巴达维亚（Batavia）作为费米实验室的建设地点。费米实验室所占6800英亩的场地原为农田，原有的一些谷仓至今仍在使用，有的用作仓库，有的用于社交活动。,恩里克费米（Enrica Fermi）,1974年，美国国会撤销原子能委员会AEC，成立了核管理委员会NRC与能源研究与开发局ERDA。1977年，美国国会组建了能源部DOE，ERDA并入DOE。费米实验室归属DOE，由美国大学研究协会URA（Universities Research Association）负责运作。,费米实验室是美国最大的高能物理研究实验室，在世界上仅次于欧洲核子研究中心CERN。 费米实验室的目标是探索自然界最微小的部分存在于原子中的世界，了解宇宙是如何形成和运转的，提高人类对物质和能量的基本属性的理解。 为开展高能物理的前沿和相关学科的研究，费米实验室建造和运行高能物理学家需要进行前沿研究的设施，并为未来的实验开发新的加速器技术。费米实验室拥有2100多名雇员，年度预算为3.07亿美元。 来自美国和世界各地的高校和实验室约2500个科研用户在费米实验室开展它们的研究。几十年来费米实验室获得了多项研究成果，并带动了相关技术的发展。,丰硕成果 建成世界上最大的质子反质子对撞机 加速器预制研究具有独创性 超导磁铁的研究、设计与开发 探测器开发 高性能计算 医用加速器,（三）竞争,（1）20世纪5060年代开始运作 1954年，CERN成立； 50年代，CERN质子同步加速器(PS)； 1959年，CERN的PS调试完毕，从此连续运行。 1967年，FERMILAB成立。 1968年12月1日，FERMILAB的直线加速器破土动工； 1969年10月3日FERMILAB主环（200 GeV的质子加速器）破土动工。,CERN质子同步加速器(PS),建于20世纪50年代的质子同步加速器PS（Proton Synchrotron），是CERN加速器中最老和用途最广的加速器。1959年调试完毕，从此连续运行。它的直径为200米，最高能量达GeV，一度是世界上功率最大的加速器。PS作适当修改后即可加速质子，又可加速电子或正电子。,（2）20世纪7080年代各有千秋 1971年，CERN质子对撞机ISR（Intersecting Storage Rings）投入运行，1984年拆除； 1971年，CERN超级质子同步加速器SPS（Super Proton Synchrotron）开始建造，1976年投入运行； 1972年3月1日,第一个能量为200 GeV的束流通过主环，使FERMILAB产生了世界上最高能量的粒子。 1973年，CERN的Gargamelle气泡室发现了中性流。 1974年，CERNLEP加速器上L3实验的发言人丁肇中是1976年诺贝尔物理奖的获奖人之一，他与美国SLAC的Burt Richter于同时发现J/psi粒子。 1977年6月30日，FERMILAB宣布发现底夸克； 20世纪80年代，CERN大型正负电子对撞机LEP（Large Electron Positron Collider）动工，1989年8月13日实现首次对撞。,1983年物理学家鲁比亚（Rubbia）和范德梅尔（Van Der Meer）在CERN的实验中发现W和Z0粒子，统一了弱相互作用和电磁相互作用，获得了1984年的诺贝尔物理奖。 CERNLEP加速器上ALEPH实验的负责人，理论物理学家Jack Steinberger因中微子束流方法和通过发现子中微子展现出轻子的二重态结构与FERMILAB的Leon Lederman和Mel Schwartz共获1988年诺贝尔物理奖。,卡洛鲁比亚,范德梅尔,Jack Steinberger,1986年，FERMILAB的Stanley Livingston获得Enrico Fermi奖； 1984年12月，FERMILAB的Robert R. Wilson获得Enrico Fermi奖；,CERNpp对撞机（ISR）,质子对撞机ISR（Intersecting Storage Rings）使用交叉储存环，其能量为231 GeV。,ISR的交叉储存环,CERN超级质子同步加速器(SPS),超级质子同步加速器SPS （Super Proton Synchrotron），主加速器平均直径达2200米。能量输出300 GeV至450 GeV不等。它常被用来作质子反质子对撞器，并为高能量电子及正电子加速。这些粒子最终被注入大型电子正电子对撞器（LEP）。 SPS于1983年改造成能量分别为400GeV的质子-反质子对撞机SPPS，质子和反质子可在这里加速到 270 GeV然后进行对撞，所得到的质心系能量相当于 155 TeV的静止靶加速器进行同类实验所能达到的能量。由于亮度高于同时期美国费米实验室的Tevatron-I，在竞争中占了上风。意大利物理学家鲁比亚在SPPS上发现了Z0及W中间玻色子，并为此获得1984年诺贝尔物理奖。 2007年后，SPS为大型强子对撞机（LHC）注入中子及重离子。,SPS 隧道,SPS示意图,CERN大型正负电子对撞机(LEP),20世纪80年代，为了在与美国建造正负电子对撞机的竞争中占上风，CERN开始动工建造大型正负电子对撞机LEP（Large Electron Positron Collider），总投资6亿美元（由成员国共同承担）。 LEP周长27公里，主环跨越法国和瑞士国界，占地36公顷，安装在地下50175米的隧道中，隧道截面为半径1.9米的圆。LEP的主环上有488块36米长的二级铁、776块四极铁、504块六级铁、504块二级校正铁、有128个高频腔。对撞区采用8块超导四极铁。1989年8月13日实现首次对撞，正负电子的能量分别为50 GeV。 LEP是由多级加速器串接而成，包括：LIL-EPA-PS-SPS-LEP，成为连续性的加速装置，使能量不断提高，每台机器将束流注入到下一台机器里，然后将束流加速到更高点的能量。,直线加速器LIL（LEP injector Linac）引出的正电子注入正电子积累环EPA（Electron-Positron Accumulator）后进行积累，达到足够强度后引出并与LIL引出的电子束一起注入PS加速后再注入SPS加速，最终注入LEP加速并实现对撞。,直线加速器LIL,正电子积累环EPA,LEP上有四个大型实验设施：ALEPH、DELPHI、L3和OPAL。中国参加了其中的ALEPH和L3实验及后续的L3C实验。 LEP的二期工程中，用256个超导腔逐步换下原有的128个高频腔，将正负电子能量分别提高到100 GeV，总对撞能量为200 GeV。,LEP二期的超导腔,(3)20世纪末以及21世纪 1992年6月，FERMILAB的Leon Lederman获得Enrico Fermi奖。 1994年4月26日，FERMILAB宣布顶夸克的第一个直接证据。 1995年3月3日，FERMILABCDF和D0合作组的实验人员宣布发现顶夸克。 1995年，CERN成功以射击反质子制造反氢原子。 1996年11月18日，FERMILAB观测到反氢原子。 CERN的理论物理学家Georges Charpak1968年发明了多丝正比室及其随后研制出的探测器，开创了电子探测粒子的新时代。因他的发明，特别是多丝正比室探索物质最内部结构技术上的突破而获1992年诺贝尔物理奖。 1997年，FERMILAB发现顶夸克（t）。 1999年，CERN于NA48实验中直接发现CP破坏存在的证据 1999年3月1日，FERMILAB在中性K介子中观测到直接的CP破缺。 2000年4月13日，FERMILAB斯隆数字化巡天在红移5.8观测到最遥远的物体；。,2000年7月20日，FERMILABDONuT实验报告直接观测到t中微子的第一个证据，从而开启了物理研究的一个新时代； 2001年11月7日，FERMILABNuTeV合作组报告Sinqw异乎寻常的高值为0.2277； 2001年，CERN决定拆除LEP原有的全部磁铁和设备，建造实现7.7 TeV能量的质子-质子的对撞的大型强子对撞机LHC（Large Hadron Collider） 2005年7月9日，FERMILAB首次在再循环环中观测到电子冷却反质子；,2006年1月12日，FERMILAB斯隆数字化巡天II报告发现139个新型1a超新星。 2006年9月25日，FERMILAB发现Bs 物质反物质振荡: 3万亿次/秒。 2006年10月23日，FERMILAB发现 b重子（u-u-b和d-d-b）。 2007年1月7日，FERMILABCDF宣布通过单个实验对W波色子质量的最精确测量结果；2007年6月，发现 b重子（d-s-b夸克组合）。,2007年6月28日，FERMILABSDSSII发表约2.87亿个天体包括197个类型的1a超新星的图象。 2007年11月8日，FERMILABPierre Auger天文台观测到超高能不均匀分布。 2008年3月30日，FERMILAB发现产生ZZ双波色子。 2009年3月9日，FERMILAB发现产生单个顶夸克。 2009年3月11日，FERMILABD0实验室组宣布W波色子质量的最佳测量结果。 2009年3月18日，FERMILAB发现新的夸克结构，命名为Y（4140）。,CERN大型强子对撞机(LHC),2001年，CERN决定拆除LEP原有的全部磁铁和设备，建造实现7.7 TeV能量的质子-质子的对撞的大型强子对撞机LHC（Large Hadron Collider）。总投资48亿1千9百万瑞士法郎（由美国、日本、俄罗斯、印度等国共同出资），LHC成为世界上最大的粒子加速器设施，21世纪前十多年中世界唯一的质子-质子对撞机，总撞击能量达 14 TeV，主要用于开展模拟宇宙大爆炸的实验，寻找理论上预见的物理现象。,CERN的大型强子对撞机（LHC）,为节省经费，LHC将充分利用CERN现有的设备和设施，如27公里长的LEP隧道，粒子源和以前的加速器等。LHC采用了最先进的超导磁铁和加速器技术，加速器通道中主要放置两个质子束管。加速管由超导磁铁所包覆，管中的质子以相反的方向，环绕着整个环型加速器运行。,LHC利用原LEP的27公里周长的隧道， 隧道直径三米，贯穿瑞士与法国边境,LHC示意图,在粒子进入主加速环之前，经过一系列加速设施逐级提升能量。由两个直线加速器引出的质子束流送入质子同步加速器PS后可达到25 GeV的能量，然后在超级质子同步加速器SPS中可将质子的能量提升到450 GeV。LHC主环上分布着约7000块磁铁，这些磁铁用液态氮气冷却到约1.9K的温度，已经接近绝对零度，磁铁上的线圈达到超导状态，以提供持续稳定的磁场。质子被加速至7 TeV进行对撞，总撞击能量达到14 TeV。 LHC运行时对撞点上每秒钟发生至少6亿次粒子对撞，环上的不同对撞点建有CMS、ATLAS、LHCb、ALICE四个大型探测器，对撞产生的各种粒子被探测器测量、记录，并作物理分析。,LHC上的大型探测器示意图,万亿电子伏特加速器Tevatron,在美国，最高能量的对撞机就是费米实验室的万亿电子伏特加速器Tevatron，在欧洲核子中心CERN的大型强子对撞机LHC建成之前，Tevatron是世界上最大的加速器。,万亿电子伏特加速器 Tevatron示意图,Tevatron隧道,Tevatron位于地面25英尺以下。 在该加速器内，粒子束流穿过 一个大部分由超导磁铁环绕的 真空管道。各类磁铁的组合使 束流按大的圆形弯转。Tevatron 共有1000多块超导磁铁。超导 磁铁比常规磁铁产生更强的磁场， 工作在华氏450度，磁铁内的 电缆没有电阻，传导大量的电流。 特大的磁力可将粒子加速到更高的 能量。,Tevatron主控制室,（1）加速器链 Tevatron由多级加速器组成：750keV的预注入器、200MeV的直线加速器、8GeV的增强器和500GeV的主加速器。,预注入器：预注入器也叫高压倍加器，是用来产生质子束流的低能强流加速器。质子从这里开始加速，把从离子源中引出的负氢离子加速到750keV。,直线加速器：直线加速器是产生带负电的氢离子是产生质子和反质子束流的第一步。费米实验室的第一个直线加速器建于1971年，最初加速粒子高达200 MeV。1993年进行了升级，由9个加速节组成，长约500英尺，可将预注入器中产生的带负电的离子加速到400 MeV，或大约光束的70。束流从直线加速器出来，经中能输运段进入增强器。,增强器：位于地下约20英尺的增强器是一个环型加速器，进入增强器的离子要穿过碳箔，碳箔从氢离子中去掉电子，产生带正电子的质子。增强器利用磁铁使质子束流在圆形轨道中弯转，围绕增强器运行20000次。每一圈中它们都在高频腔中经历一个来自电场的加速力，这使得到加速周期结束时将质子的能量加速到8GeV，然后引出束流向主加速器注入。,主注入器：主注入器1999年竣工，有以下功能：（1）将质子从8 GeV加速到150 GeV；（2）产生120 GeV质子，用于反质子的产生；（3）从反质子源接收反质子并把它们的能量提高到150 GeV；（4）将质子和反质子注入Tevatron。,主 注 入 器 （下） 与 返 航 器 （上）,反质子源：为产生反质子，主注入器把120 GeV的质子送到反质子源，质子与镍靶对撞，产生范围很广的次级粒子，包括许多反质子。反质子被收集，聚焦后存在储存环内，并对它们进行累积和冷却。当产生足够数量的反质子后，它们被送到返航器再进行冷却和累积，然后注入Tevatron。,Tevatron：接收从主注入器来的150 GeV的质子与反质子，并将其几乎加速到1000 GeV。质子与反质子按相反的方向在Tevatron里运转，速度每小时仅比光速慢200英里。质子与反质子束流在Tevatron隧道中的CDF和D0探测器的中心部分发生对撞，爆发式地产生新粒子。,（2）探测装置 固定靶： 三条光束线将质子从主注入器传送到中微子靶。这个区域的束流也测试探测器，并进行不涉及中微子的固定靶实验。将各种材料的样品放入光束线中，研究各种类型的粒子和它们的相互作用。利用这些装置，物理学家们在1977年6月30日发现底夸克和2000年Donut实验探测到t中微子。,CDF与D0探测器： CDF与D0探测器是物理学家们在Tevatron上用来观测质子和反质子之间对撞的两个探测器。探测器大如三层楼房，每个探测器都有许多探测分系统，这些分系统识别来自几乎在光速发生对撞所产生的不同类型的粒子。通过分析这些“碎片”，探究物质的结构、空间和时间。质子反质子在CDF和Do探测器中心每秒发生200多万次的对撞，产生大量的新粒子。对于有趣的事例，探测器记录每个粒子的飞行轨道、能量、动量和电荷。物理学家们倒班工作，一天24小时地监测探测器的运行情况。,CDF探测器,CDF与D0探测器位置示意图,D0探测器,建设历程 1968年12月1日，费米实验室的直线加速器破土动工；1969年10月3日主环（200 GeV的质子加速器）破土动工。1972年3月1日第一个能量为200 GeV的束流通过主环，使费米实验室产生了世界上最高能量的粒子。1972年12月14日主环能量倍增到400 GeV。1978年，为进一步提高粒子的能量，费米实验室决定建造体积更大、功能更强的大型对撞机，先集中技术力量，将主环的能量提高至1兆电子伏特。1981年，主环创造400 GeV时3 x1013 质子/脉冲的世界纪录。1983年7月，产生了世界上第一个能量为512 GeV的束流（当时命名为能量倍增器Energy Doubler）。,1983年8月16日，反质子源破土动工，准备耗资1.2亿美元建造世界上能量最高的粒子加速器质子反质子对撞机Tevatron。Tevatron的1000块超导磁铁由液氦冷却，使温度达到摄氏零下268度，其低温冷却系统为当时加速器历史上最大的低温系统。 1984年2月，能量倍增器产生了第一个能量为800 GeV的束流。1985年10月13日，CDF探测器在质心能量1.6 TeV时首次观测到质子反质子对撞。1986年10月20日能量倍增器产生第一个能量为900 GeV的束流。Tevatron成为世界最高能量的质子-反质子对撞机。,1992年，D0探测器开始调试。为增加质子反质子的对撞次数Tevatron开始第一次升级改造，称为Tevatron-II，在原2公里隧道外新建一个能量为150 GeV的常规磁铁环作为新的注入器，亮度提高10倍。目标是寻找希格斯粒子，如果理论学家的预言是正确的，那么这将有助于解释为什么宇宙中的万物都有质量。 1993年5月22日主注入器加速器破土动工。1993年9月4日，新的400 MeV直线加速器调试完成。1995年，创造了高能质子反质子粒子对撞次数的世界纪录。,1996年，Tevatron第一次升级改造完成，向CDF和D0发送180 pb-1，实验观测到了反氢原子。1997年，为固定靶实验2.86E13发送创记录的流强800 GeV 束流；主环加速器关闭并进行拆除。 1999年，主注入器落成。2000年，固定靶项目结束，为43个实验提供束流。大型探测器CDF和DO进行了改进，为新的重大发现和开展新的物理工作奠定基础。 2001年，Tevatron第二次升级开始。2004年，加速器的峰值亮度达到1X1032cm-2s-1。2005年，积分亮度达到1fb-1；首次在再循环环中观测到电子冷却反质子。2006年，反质子源聚积率首次超过20mA/小时。2008年峰值亮度超过3X1032cm-2s-1；在单个一周内发送50pb-1。 2011年1月11日，费米实验室宣布Tevatron将于2011年9月关闭。,FERMILAB超大型强子对撞机,费米实验室正在分两个阶段进行超大型强子对撞机的设计研究。第一个阶段，利用放在大周长隧道中的坚固超铁氧体磁铁，该对撞机的对撞能量达到40 TeV，亮度与西欧中心大型强子对撞机LHC的亮度一样。第一阶段的潜在科学目标完全实现后开始第二阶段的工作。在同一隧道中安装上高磁场磁铁，对撞能量至少达到175 TeV。,为达到所需能量，第一个阶段所用的低场磁铁需要233公里长的隧道。虽然建造这样长的隧道面临工程量大、管理和公众接受的挑战，在技术上似乎没有什么不可能在大约6年时间里建成的理由，以便开始建造10年后对机器进行调试。磁