歐美高能物理的競(jìng)爭(zhēng).ppt

CERN vs Fermilab,小組成員： 2010151609 胡力元 2010151614 許升 報(bào)告人：胡力元,（一）什么是高能物理？,高能物理(HEP)是一門大科學(xué)，與其他純理論研究相比較，它的花費(fèi)可謂巨大。高能物理學(xué)，即粒子物理學(xué)，是研究組成物質(zhì)和射線的基本粒子以及它們之間的相互作用的物理學(xué)的一個(gè)分支。由于許多基本粒子在大自然在一般條件下不存在或不單獨(dú)出現(xiàn)，物理學(xué)家只有使用粒子加速器在高能相撞的條件下才能生產(chǎn)和研究它們，因此粒子物理學(xué)也被稱為高能物理學(xué)。高能物理研究的主要工具是加速器，特別是對(duì)撞機(jī)，讓反向旋轉(zhuǎn)的粒子束流在對(duì)撞機(jī)中對(duì)撞。,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)宇宙中任何物質(zhì)都是由基本粒子組成的，其中一些粒子是穩(wěn)定的，形成正常物質(zhì)。另一些粒子生存極短時(shí)間，然后衰變成穩(wěn)定粒子，所有這些粒子在宇宙大爆炸后共存瞬間。 物理學(xué)家們努力探討物質(zhì)的組成，以及是什么力把其組合在一起。粒子極端微小。要能探測(cè)到和研究它們，需要專門的工具，這些工具就是加速器。它們能將粒子加速到很高的能量，然后讓它們對(duì)撞，產(chǎn)生其它粒子。在粒子發(fā)生對(duì)撞的地方，科學(xué)家們建起了大型探測(cè)器，能夠觀測(cè)和研究這些對(duì)撞，物理學(xué)家們可發(fā)現(xiàn)粒子的組成或創(chuàng)造新的粒子，以揭示它們之間相互作用的性質(zhì)。,蓋爾曼-西島,粒子表（20世紀(jì)60年代）,摘自費(fèi)曼物理學(xué)講義（卷1）,(二)CERN和FERMILAB的簡(jiǎn)單介紹,歐洲核子研究中心 （European Organization for Nuclear Research,CERN） 歐洲核子研究中心（CERN）是世界上最大的粒子物理研中心。 CERN成立于1954年，位于瑞士和法國(guó)的邊境，為歐洲第一個(gè)聯(lián)合科研機(jī)構(gòu)，主要為物理學(xué)家們提供必要的研究工具，即加速器和探測(cè)器。它建有世界上最大的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP（Large Electron-Positron collider）和超級(jí)質(zhì)子同步加速器SPS(Super Proton Synchrotron)，加速器將粒子幾乎加速到光速，用探測(cè)器來(lái)探測(cè)粒子。CERN還開(kāi)展了中微子發(fā)送到意大利 Gran Sasso的研究項(xiàng)目CNGS，旨在研究中微子振蕩。,CERN現(xiàn)有20個(gè)成員國(guó)，雇用近3000人。他們是專業(yè)廣泛的代表，包括：物理學(xué)家、工程師、技術(shù)員、管理人員、工人等。世界上的粒子物理學(xué)家有約6500人曾到CERN訪問(wèn)，從事研究工作，他們代表了500所大學(xué)和80多個(gè)民族。 CERN自成立以來(lái)已經(jīng)取得了許多重要的發(fā)現(xiàn)，獲得了多項(xiàng)著名的獎(jiǎng)項(xiàng)，包括諾貝爾獎(jiǎng)。 CERN同時(shí)也是環(huán)球網(wǎng)WWW(World Wide Web)的發(fā)源地，環(huán)球網(wǎng)是為改善和加速在世界上不同大學(xué)和研究所工作物理學(xué)家們之間的信息共享而開(kāi)發(fā)出來(lái)的，而現(xiàn)在它的學(xué)術(shù)和商業(yè)的用戶已達(dá)千百萬(wàn)。 CERN的加速器和探測(cè)器采用的是最先進(jìn)的技術(shù)，CERN與工業(yè)部門的密切合作使雙方受益。相關(guān)領(lǐng)域的附帶發(fā)展現(xiàn)已融入人們的生活中，包括癌癥治療、醫(yī)學(xué)和工業(yè)成像、輻射處理、電子學(xué)、測(cè)量?jī)x器、新的加工工藝和新材料以及國(guó)際網(wǎng)絡(luò)，而這些只不過(guò)是在CERN的粒子物理研究中開(kāi)發(fā)出來(lái)的許多技術(shù)中的一部份。技術(shù)轉(zhuǎn)讓已經(jīng)成為CERN開(kāi)展基礎(chǔ)研究這一主要任務(wù)不可缺少的一部分。,成為國(guó)際最大的核子研究中心,數(shù)十年來(lái)，CERN先后建成質(zhì)子同步回旋加速器、質(zhì)子同步加速器PS、交叉儲(chǔ)存環(huán)（ISR）、超級(jí)質(zhì)子同步加速器（SPS）、質(zhì)子直線加速器（Linac2）、重離子直線加速器（Linac3）、大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP）、大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC等大科學(xué)裝置，形成了具有強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的大科學(xué)裝置群，吸引全世界一流的科學(xué)家到CERN開(kāi)展研究，在粒子物理研究等領(lǐng)域取得了舉世矚目的成果，CERN從而成為名副其實(shí)的國(guó)際上最大的核子研究中心。,CERN鳥瞰,費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（National Accelerator Laboratory，F(xiàn)ermilab） 美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室原名為國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（National Accelerator Laboratory），根據(jù)美國(guó)總統(tǒng)林頓約翰遜1967年11月21日簽署的法案建立，由當(dāng)時(shí)的美國(guó)原子能委員會(huì)AEC負(fù)責(zé)管理。創(chuàng)建該所的R威爾遜（Robert R.Wilson）所長(zhǎng)為該所建立的嚴(yán)格原則是：杰出的科學(xué)、藝術(shù)的瑰麗、土地的守護(hù)神、經(jīng)費(fèi)上精打細(xì)算和機(jī)會(huì)均等。 美國(guó)原子能委員會(huì)AEC從200多個(gè)建議中，選擇美國(guó)中部伊利諾伊州芝加哥市以西30英里處韋斯頓（Weston）的巴達(dá)維亞（Batavia）作為費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)地點(diǎn)。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室所占6800英畝的場(chǎng)地原為農(nóng)田，原有的一些谷倉(cāng)至今仍在使用，有的用作倉(cāng)庫(kù)，有的用于社交活動(dòng)。,恩里克費(fèi)米（Enrica Fermi）,1974年，美國(guó)國(guó)會(huì)撤銷原子能委員會(huì)AEC，成立了核管理委員會(huì)NRC與能源研究與開(kāi)發(fā)局ERDA。1977年，美國(guó)國(guó)會(huì)組建了能源部DOE，ERDA并入DOE。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室歸屬DOE，由美國(guó)大學(xué)研究協(xié)會(huì)URA（Universities Research Association）負(fù)責(zé)運(yùn)作。,費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室是美國(guó)最大的高能物理研究實(shí)驗(yàn)室，在世界上僅次于歐洲核子研究中心CERN。 費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)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運(yùn)轉(zhuǎn)的，提高人類對(duì)物質(zhì)和能量的基本屬性的理解。 為開(kāi)展高能物理的前沿和相關(guān)學(xué)科的研究，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室建造和運(yùn)行高能物理學(xué)家需要進(jìn)行前沿研究的設(shè)施，并為未來(lái)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)新的加速器技術(shù)。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室擁有2100多名雇員，年度預(yù)算為3.07億美元。 來(lái)自美國(guó)和世界各地的高校和實(shí)驗(yàn)室約2500個(gè)科研用戶在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展它們的研究。幾十年來(lái)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室獲得了多項(xiàng)研究成果，并帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。,豐碩成果 建成世界上最大的質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)撞機(jī) 加速器預(yù)制研究具有獨(dú)創(chuàng)性 超導(dǎo)磁鐵的研究、設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā) 探測(cè)器開(kāi)發(fā) 高性能計(jì)算 醫(yī)用加速器,（三）競(jìng)爭(zhēng),（1）20世紀(jì)5060年代開(kāi)始運(yùn)作 1954年，CERN成立； 50年代，CERN質(zhì)子同步加速器(PS)； 1959年，CERN的PS調(diào)試完畢，從此連續(xù)運(yùn)行。 1967年，F(xiàn)ERMILAB成立。 1968年12月1日，F(xiàn)ERMILAB的直線加速器破土動(dòng)工； 1969年10月3日FERMILAB主環(huán)（200 GeV的質(zhì)子加速器）破土動(dòng)工。,CERN質(zhì)子同步加速器(PS),建于20世紀(jì)50年代的質(zhì)子同步加速器PS（Proton Synchrotron），是CERN加速器中最老和用途最廣的加速器。1959年調(diào)試完畢，從此連續(xù)運(yùn)行。它的直徑為200米，最高能量達(dá)GeV，一度是世界上功率最大的加速器。PS作適當(dāng)修改后即可加速質(zhì)子，又可加速電子或正電子。,（2）20世紀(jì)7080年代各有千秋 1971年，CERN質(zhì)子對(duì)撞機(jī)ISR（Intersecting Storage Rings）投入運(yùn)行，1984年拆除； 1971年，CERN超級(jí)質(zhì)子同步加速器SPS（Super Proton Synchrotron）開(kāi)始建造，1976年投入運(yùn)行； 1972年3月1日,第一個(gè)能量為200 GeV的束流通過(guò)主環(huán)，使FERMILAB產(chǎn)生了世界上最高能量的粒子。 1973年，CERN的Gargamelle氣泡室發(fā)現(xiàn)了中性流。 1974年，CERNLEP加速器上L3實(shí)驗(yàn)的發(fā)言人丁肇中是1976年諾貝爾物理獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)人之一，他與美國(guó)SLAC的Burt Richter于同時(shí)發(fā)現(xiàn)J/psi粒子。 1977年6月30日，F(xiàn)ERMILAB宣布發(fā)現(xiàn)底夸克； 20世紀(jì)80年代，CERN大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP（Large Electron Positron Collider）動(dòng)工，1989年8月13日實(shí)現(xiàn)首次對(duì)撞。,1983年物理學(xué)家魯比亞（Rubbia）和范德梅爾（Van Der Meer）在CERN的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)W和Z0粒子，統(tǒng)一了弱相互作用和電磁相互作用，獲得了1984年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。 CERNLEP加速器上ALEPH實(shí)驗(yàn)的負(fù)責(zé)人，理論物理學(xué)家Jack Steinberger因中微子束流方法和通過(guò)發(fā)現(xiàn)子中微子展現(xiàn)出輕子的二重態(tài)結(jié)構(gòu)與FERMILAB的Leon Lederman和Mel Schwartz共獲1988年諾貝爾物理獎(jiǎng)。,卡洛魯比亞,范德梅爾,Jack Steinberger,1986年，F(xiàn)ERMILAB的Stanley Livingston獲得Enrico Fermi獎(jiǎng)； 1984年12月，F(xiàn)ERMILAB的Robert R. Wilson獲得Enrico Fermi獎(jiǎng)；,CERNpp對(duì)撞機(jī)（ISR）,質(zhì)子對(duì)撞機(jī)ISR（Intersecting Storage Rings）使用交叉儲(chǔ)存環(huán)，其能量為231 GeV。,ISR的交叉儲(chǔ)存環(huán),CERN超級(jí)質(zhì)子同步加速器(SPS),超級(jí)質(zhì)子同步加速器SPS （Super Proton Synchrotron），主加速器平均直徑達(dá)2200米。能量輸出300 GeV至450 GeV不等。它常被用來(lái)作質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)撞器，并為高能量電子及正電子加速。這些粒子最終被注入大型電子正電子對(duì)撞器（LEP）。 SPS于1983年改造成能量分別為400GeV的質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)SPPS，質(zhì)子和反質(zhì)子可在這里加速到 270 GeV然后進(jìn)行對(duì)撞，所得到的質(zhì)心系能量相當(dāng)于 155 TeV的靜止靶加速器進(jìn)行同類實(shí)驗(yàn)所能達(dá)到的能量。由于亮度高于同時(shí)期美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron-I，在競(jìng)爭(zhēng)中占了上風(fēng)。意大利物理學(xué)家魯比亞在SPPS上發(fā)現(xiàn)了Z0及W中間玻色子，并為此獲得1984年諾貝爾物理獎(jiǎng)。 2007年后，SPS為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）注入中子及重離子。,SPS 隧道,SPS示意圖,CERN大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(LEP),20世紀(jì)80年代，為了在與美國(guó)建造正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)中占上風(fēng)，CERN開(kāi)始動(dòng)工建造大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP（Large Electron Positron Collider），總投資6億美元（由成員國(guó)共同承擔(dān)）。 LEP周長(zhǎng)27公里，主環(huán)跨越法國(guó)和瑞士國(guó)界，占地36公頃，安裝在地下50175米的隧道中，隧道截面為半徑1.9米的圓。LEP的主環(huán)上有488塊36米長(zhǎng)的二級(jí)鐵、776塊四極鐵、504塊六級(jí)鐵、504塊二級(jí)校正鐵、有128個(gè)高頻腔。對(duì)撞區(qū)采用8塊超導(dǎo)四極鐵。1989年8月13日實(shí)現(xiàn)首次對(duì)撞，正負(fù)電子的能量分別為50 GeV。 LEP是由多級(jí)加速器串接而成，包括：LIL-EPA-PS-SPS-LEP，成為連續(xù)性的加速裝置，使能量不斷提高，每臺(tái)機(jī)器將束流注入到下一臺(tái)機(jī)器里，然后將束流加速到更高點(diǎn)的能量。,直線加速器LIL（LEP injector Linac）引出的正電子注入正電子積累環(huán)EPA（Electron-Positron Accumulator）后進(jìn)行積累，達(dá)到足夠強(qiáng)度后引出并與LIL引出的電子束一起注入PS加速后再注入SPS加速，最終注入LEP加速并實(shí)現(xiàn)對(duì)撞。,直線加速器LIL,正電子積累環(huán)EPA,LEP上有四個(gè)大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施：ALEPH、DELPHI、L3和OPAL。中國(guó)參加了其中的ALEPH和L3實(shí)驗(yàn)及后續(xù)的L3C實(shí)驗(yàn)。 LEP的二期工程中，用256個(gè)超導(dǎo)腔逐步換下原有的128個(gè)高頻腔，將正負(fù)電子能量分別提高到100 GeV，總對(duì)撞能量為200 GeV。,LEP二期的超導(dǎo)腔,(3)20世紀(jì)末以及21世紀(jì) 1992年6月，F(xiàn)ERMILAB的Leon Lederman獲得Enrico Fermi獎(jiǎng)。 1994年4月26日，F(xiàn)ERMILAB宣布頂夸克的第一個(gè)直接證據(jù)。 1995年3月3日，F(xiàn)ERMILABCDF和D0合作組的實(shí)驗(yàn)人員宣布發(fā)現(xiàn)頂夸克。 1995年，CERN成功以射擊反質(zhì)子制造反氫原子。 1996年11月18日，F(xiàn)ERMILAB觀測(cè)到反氫原子。 CERN的理論物理學(xué)家Georges Charpak1968年發(fā)明了多絲正比室及其隨后研制出的探測(cè)器，開(kāi)創(chuàng)了電子探測(cè)粒子的新時(shí)代。因他的發(fā)明，特別是多絲正比室探索物質(zhì)最內(nèi)部結(jié)構(gòu)技術(shù)上的突破而獲1992年諾貝爾物理獎(jiǎng)。 1997年，F(xiàn)ERMILAB發(fā)現(xiàn)頂夸克（t）。 1999年，CERN于NA48實(shí)驗(yàn)中直接發(fā)現(xiàn)CP破壞存在的證據(jù) 1999年3月1日，F(xiàn)ERMILAB在中性K介子中觀測(cè)到直接的CP破缺。 2000年4月13日，F(xiàn)ERMILAB斯隆數(shù)字化巡天在紅移5.8觀測(cè)到最遙遠(yuǎn)的物體；。,2000年7月20日，F(xiàn)ERMILABDONuT實(shí)驗(yàn)報(bào)告直接觀測(cè)到t中微子的第一個(gè)證據(jù)，從而開(kāi)啟了物理研究的一個(gè)新時(shí)代； 2001年11月7日，F(xiàn)ERMILABNuTeV合作組報(bào)告Sinqw異乎尋常的高值為0.2277； 2001年，CERN決定拆除LEP原有的全部磁鐵和設(shè)備，建造實(shí)現(xiàn)7.7 TeV能量的質(zhì)子-質(zhì)子的對(duì)撞的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC（Large Hadron Collider） 2005年7月9日，F(xiàn)ERMILAB首次在再循環(huán)環(huán)中觀測(cè)到電子冷卻反質(zhì)子；,2006年1月12日，F(xiàn)ERMILAB斯隆數(shù)字化巡天II報(bào)告發(fā)現(xiàn)139個(gè)新型1a超新星。 2006年9月25日，F(xiàn)ERMILAB發(fā)現(xiàn)Bs 物質(zhì)反物質(zhì)振蕩: 3萬(wàn)億次/秒。 2006年10月23日，F(xiàn)ERMILAB發(fā)現(xiàn) b重子（u-u-b和d-d-b）。 2007年1月7日，F(xiàn)ERMILABCDF宣布通過(guò)單個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)W波色子質(zhì)量的最精確測(cè)量結(jié)果；2007年6月，發(fā)現(xiàn) b重子（d-s-b夸克組合）。,2007年6月28日，F(xiàn)ERMILABSDSSII發(fā)表約2.87億個(gè)天體包括197個(gè)類型的1a超新星的圖象。 2007年11月8日，F(xiàn)ERMILABPierre Auger天文臺(tái)觀測(cè)到超高能不均勻分布。 2008年3月30日，F(xiàn)ERMILAB發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生ZZ雙波色子。 2009年3月9日，F(xiàn)ERMILAB發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生單個(gè)頂夸克。 2009年3月11日，F(xiàn)ERMILABD0實(shí)驗(yàn)室組宣布W波色子質(zhì)量的最佳測(cè)量結(jié)果。 2009年3月18日，F(xiàn)ERMILAB發(fā)現(xiàn)新的夸克結(jié)構(gòu)，命名為Y（4140）。,CERN大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC),2001年，CERN決定拆除LEP原有的全部磁鐵和設(shè)備，建造實(shí)現(xiàn)7.7 TeV能量的質(zhì)子-質(zhì)子的對(duì)撞的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC（Large Hadron Collider）。總投資48億1千9百萬(wàn)瑞士法郎（由美國(guó)、日本、俄羅斯、印度等國(guó)共同出資），LHC成為世界上最大的粒子加速器設(shè)施，21世紀(jì)前十多年中世界唯一的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，總撞擊能量達(dá) 14 TeV，主要用于開(kāi)展模擬宇宙大爆炸的實(shí)驗(yàn)，尋找理論上預(yù)見(jiàn)的物理現(xiàn)象。,CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）,為節(jié)省經(jīng)費(fèi)，LHC將充分利用CERN現(xiàn)有的設(shè)備和設(shè)施，如27公里長(zhǎng)的LEP隧道，粒子源和以前的加速器等。LHC采用了最先進(jìn)的超導(dǎo)磁鐵和加速器技術(shù)，加速器通道中主要放置兩個(gè)質(zhì)子束管。加速管由超導(dǎo)磁鐵所包覆，管中的質(zhì)子以相反的方向，環(huán)繞著整個(gè)環(huán)型加速器運(yùn)行。,LHC利用原LEP的27公里周長(zhǎng)的隧道， 隧道直徑三米，貫穿瑞士與法國(guó)邊境,LHC示意圖,在粒子進(jìn)入主加速環(huán)之前，經(jīng)過(guò)一系列加速設(shè)施逐級(jí)提升能量。由兩個(gè)直線加速器引出的質(zhì)子束流送入質(zhì)子同步加速器PS后可達(dá)到25 GeV的能量，然后在超級(jí)質(zhì)子同步加速器SPS中可將質(zhì)子的能量提升到450 GeV。LHC主環(huán)上分布著約7000塊磁鐵，這些磁鐵用液態(tài)氮?dú)饫鋮s到約1.9K的溫度，已經(jīng)接近絕對(duì)零度，磁鐵上的線圈達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)，以提供持續(xù)穩(wěn)定的磁場(chǎng)。質(zhì)子被加速至7 TeV進(jìn)行對(duì)撞，總撞擊能量達(dá)到14 TeV。 LHC運(yùn)行時(shí)對(duì)撞點(diǎn)上每秒鐘發(fā)生至少6億次粒子對(duì)撞，環(huán)上的不同對(duì)撞點(diǎn)建有CMS、ATLAS、LHCb、ALICE四個(gè)大型探測(cè)器，對(duì)撞產(chǎn)生的各種粒子被探測(cè)器測(cè)量、記錄，并作物理分析。,LHC上的大型探測(cè)器示意圖,萬(wàn)億電子伏特加速器Tevatron,在美國(guó)，最高能量的對(duì)撞機(jī)就是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)億電子伏特加速器Tevatron，在歐洲核子中心CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC建成之前，Tevatron是世界上最大的加速器。,萬(wàn)億電子伏特加速器 Tevatron示意圖,Tevatron隧道,Tevatron位于地面25英尺以下。 在該加速器內(nèi)，粒子束流穿過(guò) 一個(gè)大部分由超導(dǎo)磁鐵環(huán)繞的 真空管道。各類磁鐵的組合使 束流按大的圓形彎轉(zhuǎn)。Tevatron 共有1000多塊超導(dǎo)磁鐵。超導(dǎo) 磁鐵比常規(guī)磁鐵產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)， 工作在華氏450度，磁鐵內(nèi)的 電纜沒(méi)有電阻，傳導(dǎo)大量的電流。 特大的磁力可將粒子加速到更高的 能量。,Tevatron主控制室,（1）加速器鏈 Tevatron由多級(jí)加速器組成：750keV的預(yù)注入器、200MeV的直線加速器、8GeV的增強(qiáng)器和500GeV的主加速器。,預(yù)注入器：預(yù)注入器也叫高壓倍加器，是用來(lái)產(chǎn)生質(zhì)子束流的低能強(qiáng)流加速器。質(zhì)子從這里開(kāi)始加速，把從離子源中引出的負(fù)氫離子加速到750keV。,直線加速器：直線加速器是產(chǎn)生帶負(fù)電的氫離子是產(chǎn)生質(zhì)子和反質(zhì)子束流的第一步。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的第一個(gè)直線加速器建于1971年，最初加速粒子高達(dá)200 MeV。1993年進(jìn)行了升級(jí)，由9個(gè)加速節(jié)組成，長(zhǎng)約500英尺，可將預(yù)注入器中產(chǎn)生的帶負(fù)電的離子加速到400 MeV，或大約光束的70。束流從直線加速器出來(lái)，經(jīng)中能輸運(yùn)段進(jìn)入增強(qiáng)器。,增強(qiáng)器：位于地下約20英尺的增強(qiáng)器是一個(gè)環(huán)型加速器，進(jìn)入增強(qiáng)器的離子要穿過(guò)碳箔，碳箔從氫離子中去掉電子，產(chǎn)生帶正電子的質(zhì)子。增強(qiáng)器利用磁鐵使質(zhì)子束流在圓形軌道中彎轉(zhuǎn)，圍繞增強(qiáng)器運(yùn)行20000次。每一圈中它們都在高頻腔中經(jīng)歷一個(gè)來(lái)自電場(chǎng)的加速力，這使得到加速周期結(jié)束時(shí)將質(zhì)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）將質(zhì)子從8 GeV加速到150 GeV；（2）產(chǎn)生120 GeV質(zhì)子，用于反質(zhì)子的產(chǎn)生；（3）從反質(zhì)子源接收反質(zhì)子并把它們的能量提高到150 GeV；（4）將質(zhì)子和反質(zhì)子注入Tevatron。,主 注 入 器 （下） 與 返 航 器 （上）,反質(zhì)子源：為產(chǎn)生反質(zhì)子，主注入器把120 GeV的質(zhì)子送到反質(zhì)子源，質(zhì)子與鎳靶對(duì)撞，產(chǎn)生范圍很廣的次級(jí)粒子，包括許多反質(zhì)子。反質(zhì)子被收集，聚焦后存在儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)，并對(duì)它們進(jìn)行累積和冷卻。當(dāng)產(chǎn)生足夠數(shù)量的反質(zhì)子后，它們被送到返航器再進(jìn)行冷卻和累積，然后注入Tevatron。,Tevatron：接收從主注入器來(lái)的150 GeV的質(zhì)子與反質(zhì)子，并將其幾乎加速到1000 GeV。質(zhì)子與反質(zhì)子按相反的方向在Tevatron里運(yùn)轉(zhuǎn)，速度每小時(shí)僅比光速慢200英里。質(zhì)子與反質(zhì)子束流在Tevatron隧道中的CDF和D0探測(cè)器的中心部分發(fā)生對(duì)撞，爆發(fā)式地產(chǎn)生新粒子。,（2）探測(cè)裝置 固定靶： 三條光束線將質(zhì)子從主注入器傳送到中微子靶。這個(gè)區(qū)域的束流也測(cè)試探測(cè)器，并進(jìn)行不涉及中微子的固定靶實(shí)驗(yàn)。將各種材料的樣品放入光束線中，研究各種類型的粒子和它們的相互作用。利用這些裝置，物理學(xué)家們?cè)?977年6月30日發(fā)現(xiàn)底夸克和2000年Donut實(shí)驗(yàn)探測(cè)到t中微子。,CDF與D0探測(cè)器： CDF與D0探測(cè)器是物理學(xué)家們?cè)赥evatron上用來(lái)觀測(cè)質(zhì)子和反質(zhì)子之間對(duì)撞的兩個(gè)探測(cè)器。探測(cè)器大如三層樓房，每個(gè)探測(cè)器都有許多探測(cè)分系統(tǒng)，這些分系統(tǒng)識(shí)別來(lái)自幾乎在光速發(fā)生對(duì)撞所產(chǎn)生的不同類型的粒子。通過(guò)分析這些“碎片”，探究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、空間和時(shí)間。質(zhì)子反質(zhì)子在CDF和Do探測(cè)器中心每秒發(fā)生200多萬(wàn)次的對(duì)撞，產(chǎn)生大量的新粒子。對(duì)于有趣的事例，探測(cè)器記錄每個(gè)粒子的飛行軌道、能量、動(dòng)量和電荷。物理學(xué)家們倒班工作，一天24小時(shí)地監(jiān)測(cè)探測(cè)器的運(yùn)行情況。,CDF探測(cè)器,CDF與D0探測(cè)器位置示意圖,D0探測(cè)器,建設(shè)歷程 1968年12月1日，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的直線加速器破土動(dòng)工；1969年10月3日主環(huán)（200 GeV的質(zhì)子加速器）破土動(dòng)工。1972年3月1日第一個(gè)能量為200 GeV的束流通過(guò)主環(huán)，使費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生了世界上最高能量的粒子。1972年12月14日主環(huán)能量倍增到400 GeV。1978年，為進(jìn)一步提高粒子的能量，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室決定建造體積更大、功能更強(qiáng)的大型對(duì)撞機(jī)，先集中技術(shù)力量，將主環(huán)的能量提高至1兆電子伏特。1981年，主環(huán)創(chuàng)造400 GeV時(shí)3 x1013 質(zhì)子/脈沖的世界紀(jì)錄。1983年7月，產(chǎn)生了世界上第一個(gè)能量為512 GeV的束流（當(dāng)時(shí)命名為能量倍增器Energy Doubler）。,1983年8月16日，反質(zhì)子源破土動(dòng)工，準(zhǔn)備耗資1.2億美元建造世界上能量最高的粒子加速器質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)Tevatron。Tevatron的1000塊超導(dǎo)磁鐵由液氦冷卻，使溫度達(dá)到攝氏零下268度，其低溫冷卻系統(tǒng)為當(dāng)時(shí)加速器歷史上最大的低溫系統(tǒng)。 1984年2月，能量倍增器產(chǎn)生了第一個(gè)能量為800 GeV的束流。1985年10月13日，CDF探測(cè)器在質(zhì)心能量1.6 TeV時(shí)首次觀測(cè)到質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)撞。1986年10月20日能量倍增器產(chǎn)生第一個(gè)能量為900 GeV的束流。Tevatron成為世界最高能量的質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。,1992年，D0探測(cè)器開(kāi)始調(diào)試。為增加質(zhì)子反質(zhì)子的對(duì)撞次數(shù)Tevatron開(kāi)始第一次升級(jí)改造，稱為Tevatron-II，在原2公里隧道外新建一個(gè)能量為150 GeV的常規(guī)磁鐵環(huán)作為新的注入器，亮度提高10倍。目標(biāo)是尋找希格斯粒子，如果理論學(xué)家的預(yù)言是正確的，那么這將有助于解釋為什么宇宙中的萬(wàn)物都有質(zhì)量。 1993年5月22日主注入器加速器破土動(dòng)工。1993年9月4日，新的400 MeV直線加速器調(diào)試完成。1995年，創(chuàng)造了高能質(zhì)子反質(zhì)子粒子對(duì)撞次數(shù)的世界紀(jì)錄。,1996年，Tevatron第一次升級(jí)改造完成，向CDF和D0發(fā)送180 pb-1，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了反氫原子。1997年，為固定靶實(shí)驗(yàn)2.86E13發(fā)送創(chuàng)記錄的流強(qiáng)800 GeV 束流；主環(huán)加速器關(guān)閉并進(jìn)行拆除。 1999年，主注入器落成。2000年，固定靶項(xiàng)目結(jié)束，為43個(gè)實(shí)驗(yàn)提供束流。大型探測(cè)器CDF和DO進(jìn)行了改進(jìn)，為新的重大發(fā)現(xiàn)和開(kāi)展新的物理工作奠定基礎(chǔ)。 2001年，Tevatron第二次升級(jí)開(kāi)始。2004年，加速器的峰值亮度達(dá)到1X1032cm-2s-1。2005年，積分亮度達(dá)到1fb-1；首次在再循環(huán)環(huán)中觀測(cè)到電子冷卻反質(zhì)子。2006年，反質(zhì)子源聚積率首次超過(guò)20mA/小時(shí)。2008年峰值亮度超過(guò)3X1032cm-2s-1；在單個(gè)一周內(nèi)發(fā)送50pb-1。 2011年1月11日，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布Tevatron將于2011年9月關(guān)閉。,FERMILAB超大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī),費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室正在分兩個(gè)階段進(jìn)行超大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的設(shè)計(jì)研究。第一個(gè)階段，利用放在大周長(zhǎng)隧道中的堅(jiān)固超鐵氧體磁鐵，該對(duì)撞機(jī)的對(duì)撞能量達(dá)到40 TeV，亮度與西歐中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC的亮度一樣。第一階段的潛在科學(xué)目標(biāo)完全實(shí)現(xiàn)后開(kāi)始第二階段的工作。在同一隧道中安裝上高磁場(chǎng)磁鐵，對(duì)撞能量至少達(dá)到175 TeV。,為達(dá)到所需能量，第一個(gè)階段所用的低場(chǎng)磁鐵需要233公里長(zhǎng)的隧道。雖然建造這樣長(zhǎng)的隧道面臨工程量大、管理和公眾接受的挑戰(zhàn)，在技術(shù)上似乎沒(méi)有什么不可能在大約6年時(shí)間里建成的理由，以便開(kāi)始建造10年后對(duì)機(jī)器進(jìn)行調(diào)試。磁