歐美高能物理的爭

1、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？（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

2、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器，能夠觀測和研究這些對(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)。(二)cern和fermilab的簡單介紹 歐洲核子研究中心（european organization for nuclear re

3、search,cern） 歐洲核子研究中心（歐洲核子研究中心（cern）是世界上最大的粒子物）是世界上最大的粒子物理研中心。理研中心。 cern成立于1954年，位于瑞士和法國的邊境，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，即加速器加速器和探探測器測器。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，用探測器來探測粒子。cern還開展了中微子發(fā)送到意大利 gran sasso的研究項(xiàng)目cngs，旨在研究中微子

4、振蕩。 cern現(xiàn)有20個(gè)成員國，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，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發(fā)出來的，而現(xiàn)在它的學(xué)術(shù)和商業(yè)的用戶已達(dá)千百萬。 cern的加速器和探測器采用的是最先進(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)

5、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)、測量儀器、新的加工工藝和新材料以及國際網(wǎng)絡(luò)，而這些只不過是在cern的粒子物理研究中開發(fā)出來的許多技術(shù)中的一部份。技術(shù)轉(zhuǎn)讓已經(jīng)成為cern開展基礎(chǔ)研究這一主要任務(wù)不可缺少的一部分。 成為國際最大的核子研究中心 數(shù)十年來，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)競爭力的大科學(xué)裝置群，吸引全世界一流的科學(xué)家到c

6、ern開展研究，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)的國際上最大的核子研究中心。cern鳥瞰 費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室（national accelerator laboratory，fermilab） 美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室原名為國家加速器實(shí)驗(yàn)室（national accelerator laboratory），根據(jù)美國總統(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。 美國原子能委員會(huì)

7、aec從200多個(gè)建議中，選擇美國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英畝的場地原為農(nóng)田，原有的一些谷倉至今仍在使用，有的用作倉庫，有的用于社交活動(dòng)。 恩里克恩里克費(fèi)米（費(fèi)米（enrica fermi） 1974年，美國國會(huì)撤銷原子能委員會(huì)aec，成立了核管理委員會(huì)nrc與能源研究與開發(fā)局erda。1977年，美國國會(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

8、國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，并為未來的實(shí)驗(yàn)開發(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。 來自美國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)室開展它們的研究。幾十年來費(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)

9、創(chuàng)性 超導(dǎo)磁鐵的研究、設(shè)計(jì)與開發(fā) 探測器開發(fā)高性能計(jì)算 醫(yī)用加速器 （三）競爭（三）競爭 （1）20世紀(jì)5060年代開始運(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，fermilab成立。 1968年12月1日，fermilab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

10、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。 1

11、974年，cernlep加速器上l3實(shí)驗(yàn)的發(fā)言人丁肇中丁肇中是1976年諾貝爾物理獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)人之一，他與美國slac的burt richter于同時(shí)發(fā)現(xiàn)j/psi粒子。 1977年6月30日，fermilab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)

12、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)?？弭敱葋喎兜旅窢杍ack steinberger 1986年，fermilab的stanley livingston獲得enrico fermi獎(jiǎng)； 1984年12月，fermilab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 ge

13、v。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)由于亮度高于同時(shí)期美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的期美國費(fèi)米實(shí)

14、驗(yàn)室的tevatron-i，在競爭中占了上風(fēng)。，在競爭中占了上風(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，為了在與美國建造正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的競為了在與美國建造正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的競爭中占上風(fēng)爭中占上風(fēng)，cern開始動(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（由成員國共同承擔(dān)）。 lep周長27公里，主環(huán)跨越法國和瑞士國界，占地36

15、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 accumulato

16、r）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，fermilab的leon lederman獲得enrico fermi獎(jiǎng)。 1994年4月26日，fermila

17、b宣布頂夸克的第一個(gè)直接證據(jù)。 1995年3月3日，fermilabcdf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，fermilab觀測到反氫原子。 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器，開創(chuàng)了電子探測粒子的新時(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，fermilab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，fermilab在中性k介子中觀測到

18、直接的cp破缺。 2000年4月13日，fermilab斯隆數(shù)字化巡天在紅移5.8觀測到最遙遠(yuǎn)的物體；。 2000年7月20日，fermilabdonut實(shí)驗(yàn)報(bào)告直接觀測到t中微子的第一個(gè)證據(jù)，從而開啟了物理研究的一個(gè)新時(shí)代； 2001年11月7日，fermilabnutev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，fermilab首次在再循環(huán)環(huán)中觀測到電子冷卻反質(zhì)子； 2006年1月12日，fe

19、rmilab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，fermilab發(fā)現(xiàn)bs 物質(zhì)反物質(zhì)振蕩: 3萬億次/秒。 2006年10月23日，fermilab發(fā)現(xiàn) b重子（u-u-b和d-d-b）。 2007年1月7日，fermilabcdf宣布通過單個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)w波色子質(zhì)量的最精確測量結(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，fermilabsdssii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，fermilabpierre auger天文臺(tái)觀測到超高能不均勻分布。 2008年3月30日，f

20、ermilab發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生zz雙波色子。 2009年3月9日，fermilab發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生單個(gè)頂夸克。 2009年3月11日，fermilabd0實(shí)驗(yàn)室組宣布w波色子質(zhì)量的最佳測量結(jié)果。 2009年3月18日，fermilab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）?？偼顿Y48億1千9百萬瑞士法郎（由美國、日本、俄羅斯、印度等國共同出資），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

21、的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，總撞擊能量達(dá) 14 tev，主要用于開展模擬宇宙大爆炸的實(shí)驗(yàn)，尋找理論上預(yù)見的物理現(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公里周長的隧道，隧道直徑三米，貫穿瑞士與法國邊境 lhc示意圖 在粒子進(jìn)入主加速環(huán)之前，經(jīng)過一系列加速設(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)

22、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。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)大型探測器，對(duì)撞產(chǎn)生的各種粒子被探測器測量、記錄，并作物理分析。lhc上的大型探測器示意圖萬億電子伏特加速器萬億電子伏特加速器tevatron 在美國，最高能量的對(duì)撞機(jī)就是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬億電

23、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。萬億電子伏特加速器tevatron示意圖tevatron隧道隧道tevatron位于地面位于地面25英尺以下。英尺以下。在該加速器內(nèi)，粒子束流穿過在該加速器內(nèi)，粒子束流穿過一個(gè)大部分由超導(dǎo)磁鐵環(huán)繞的一個(gè)大部分由超導(dǎo)磁鐵環(huán)繞的真空管道。各類磁鐵的組合使真空管道。各類磁鐵的組合使束流按大的圓形彎轉(zhuǎn)。束流按大的圓形彎轉(zhuǎn)。tevatron共有共有1000多塊超導(dǎo)磁鐵。超導(dǎo)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，磁鐵比常規(guī)磁鐵產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場，工作在華氏工作在華氏450度，磁鐵

24、內(nèi)的度，磁鐵內(nèi)的電纜沒有電阻，傳導(dǎo)大量的電流。電纜沒有電阻，傳導(dǎo)大量的電流。特大的磁力可將粒子加速到更高的特大的磁力可將粒子加速到更高的能量。能量。 tevatron主控制室主控制室 （1）加速器鏈）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，是用來產(chǎn)生質(zhì)子束流的低能強(qiáng)流加速器。質(zhì)子從這里開始加速，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

25、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，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)來自電場的加速力，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

26、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。 主主注注入入器器（下）（下）與與返返航航器器（上）（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：接收從主注入器來的150 gev的質(zhì)子與反質(zhì)子，并將其幾乎加速到1000 gev。

27、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）探測裝置）探測裝置 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)域的束流也測試探測器，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)探測到t中微子。 cdf與d0探測器： cdf與d0探測器是物理學(xué)家們?cè)趖evatron上用來觀測質(zhì)子和反質(zhì)子之間對(duì)撞的兩個(gè)探測器

28、。探測器大如三層樓房，每個(gè)探測器都有許多探測分系統(tǒng)，這些分系統(tǒng)識(shí)別來自幾乎在光速發(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探測器中心每秒發(fā)生200多萬次的對(duì)撞，產(chǎn)生大量的新粒子。對(duì)于有趣的事例，探測器記錄每個(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)測探測器的運(yùn)行情況。 cdf探測器cdf與d0探測器位置示意圖d0探測器 建設(shè)歷程建設(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

29、流通過主環(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，

30、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探測器在質(zhì)心能量1.6 tev時(shí)首次觀測到質(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探測器開始調(diào)試。為增加質(zhì)子反質(zhì)子的對(duì)撞次數(shù)tevatron開始第一次升級(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)

31、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。大型探測器cdf和do進(jìn)行了改進(jìn)，為新的重大發(fā)現(xiàn)和開展新的物理工作奠定基礎(chǔ)。 2001年

32、，tevatron第二次升級(jí)開始。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)中觀測到電子冷卻反質(zhì)子。2006年，反質(zhì)子源聚積率首次超過20ma/小時(shí)。2008年峰值亮度超過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)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)后開始第二階段的工作。在同一隧道中安裝上高磁場磁鐵，對(duì)撞能量至少達(dá)到175 tev。 為達(dá)到所需能量，第一個(gè)階段所用的低場磁鐵需要233公里長的隧道。雖然建造這樣長的隧道面臨工程量大、管理和公眾接受的挑戰(zhàn)，在技術(shù)上似乎沒有什么不可能在大約6年時(shí)間里建成的理由，以便開始建