CERNvsFermilab小組組員：151609胡力元151614許升匯報(bào)人：胡力元第1頁(yè)（一）什么是高能物理？高能物理(HEP)是一門大科學(xué)，與其它純理論研究相比較，它花費(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)和射線基本粒子以及它們之間相互作用物理學(xué)一個(gè)分支。因?yàn)樵S多基本粒子在大自然在普通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條件下才能生產(chǎn)和研究它們，所以粒子物理學(xué)也被稱為高能物理學(xué)。高能物理研究主要工具是加速器，尤其是對(duì)撞機(jī)，讓反向旋轉(zhuǎn)粒子束流在對(duì)撞機(jī)中對(duì)撞。第2頁(yè)

科學(xué)家們發(fā)覺(jué)宇宙中任何物質(zhì)都是由基本粒子組成，其中一些粒子是穩(wěn)定，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，全部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)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，需要專門工具，這些工具就是加速器。它們能將粒子加速到很高能量，然后讓它們對(duì)撞，產(chǎn)生其它粒子。在粒子發(fā)生對(duì)撞地方，科學(xué)家們建起了大型探測(cè)器，能夠觀察和研究這些對(duì)撞，物理學(xué)家們可發(fā)覺(jué)粒子組成或創(chuàng)造新粒子，以揭示它們之間相互作用性質(zhì)。第3頁(yè)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）第4頁(yè)(二)CERN和FERMILAB簡(jiǎn)單介紹<1>歐洲核子研究中心（EuropeanOrganizationforNuclearResearch,CERN）

歐洲核子研究中心（CERN）是世界上最大粒子物理研中心。

CERN成立于1954年，位于瑞士和法國(guó)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)家們提供必要研究工具，即加速器和探測(cè)器。它建有世界上最大正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP（LargeElectron-Positroncollider）和超級(jí)質(zhì)子同時(shí)加速器SPS(SuperProtonSynchrotron)，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GranSasso研究項(xiàng)目CNGS，意在研究中微子振蕩。第5頁(yè)CERN現(xiàn)有20個(gè)組員國(guó)，雇用近3000人。他們是專業(yè)廣泛代表，包含：物理學(xué)家、工程師、技術(shù)員、管理人員、工人等。世界上粒子物理學(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)取得了許多主要發(fā)覺(jué)，取得了多項(xiàng)著名獎(jiǎng)項(xiàng)，包含諾貝爾獎(jiǎng)。CERN同時(shí)也是環(huán)球網(wǎng)WWW(WorldWideWeb)發(fā)源地，環(huán)球網(wǎng)是為改進(jìn)和加速在世界上不一樣大學(xué)和研究所工作物理學(xué)家們之間信息共享而開(kāi)發(fā)出來(lái)，而現(xiàn)在它學(xué)術(shù)和商業(yè)用戶已達(dá)千百萬(wàn)。CERN加速器和探測(cè)器采取是最先進(jìn)技術(shù)，CERN與工業(yè)部門親密合作使雙方受益。相關(guān)領(lǐng)域附帶發(fā)展現(xiàn)已融入人們生活中，包含癌癥治療、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粒子物理研究中開(kāi)發(fā)出來(lái)許多技術(shù)中一部份。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)不可缺乏一部分。第6頁(yè)成為國(guó)際最大核子研究中心數(shù)十年來(lái)，CERN先后建成質(zhì)子同時(shí)盤(pán)旋加速器、質(zhì)子同時(shí)加速器PS、交叉儲(chǔ)存環(huán)（ISR）、超級(jí)質(zhì)子同時(shí)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，形成了含有強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力大科學(xué)裝置群，吸引全世界一流科學(xué)家到CERN開(kāi)展研究，在粒子物理研究等領(lǐng)域取得了舉世矚目標(biāo)結(jié)果，CERN從而成為名副其實(shí)國(guó)際上最大核子研究中心。第7頁(yè)CERN鳥(niǎo)瞰第8頁(yè)<2>費(fèi)米國(guó)家試驗(yàn)室（NationalAcceleratorLaboratory，F(xiàn)ermilab）美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器試驗(yàn)室原名為國(guó)家加速器試驗(yàn)室（NationalAcceleratorLaboratory），依據(jù)美國(guó)總統(tǒng)林頓·約翰遜1967年11月21日簽署法案建立，由當(dāng)初美國(guó)原子能委員會(huì)AEC負(fù)責(zé)管理。創(chuàng)建該所R·威爾遜（RobertR.Wilson）所長(zhǎng)為該所建立嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)是：出色科學(xué)、藝術(shù)瑰麗、土地守護(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)提議中，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）巴達(dá)維亞（Batavia）作為費(fèi)米試驗(yàn)室建設(shè)地點(diǎn)。費(fèi)米試驗(yàn)室所占6800英畝場(chǎng)地原為農(nóng)田，原有一些谷倉(cāng)至今仍在使用，有用作倉(cāng)庫(kù)，有用于社交活動(dòng)。

第9頁(yè)恩里克·費(fèi)米（EnricaFermi）第10頁(yè)1974年，美國(guó)國(guó)會(huì)撤消原子能委員會(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)米試驗(yàn)室歸屬DOE，由美國(guó)大學(xué)研究協(xié)會(huì)URA（UniversitiesResearchAssociation）負(fù)責(zé)運(yùn)作。

第11頁(yè)費(fèi)米試驗(yàn)室是美國(guó)最大高能物理研究試驗(yàn)室，在世界上僅次于歐洲核子研究中心CERN。費(fèi)米試驗(yàn)室目標(biāo)是探索自然界最微小部分——存在于原子中世界，了解宇宙是怎樣形成和運(yùn)轉(zhuǎn)，提升人類對(duì)物質(zhì)和能量基本屬性了解。為開(kāi)展高能物理前沿和相關(guān)學(xué)科研究，費(fèi)米試驗(yàn)室建造和運(yùn)行高能物理學(xué)家需要進(jìn)行前沿研究設(shè)施，并為未來(lái)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)新加速器技術(shù)。費(fèi)米試驗(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)和世界各地高校和試驗(yàn)室約2500個(gè)科研用戶在費(fèi)米試驗(yàn)室開(kāi)展它們研究。幾十年來(lái)費(fèi)米試驗(yàn)室取得了多項(xiàng)研究結(jié)果，并帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)發(fā)展。第12頁(yè)第13頁(yè)

豐碩結(jié)果建成世界上最大質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)加速器預(yù)制研究含有獨(dú)創(chuàng)性超導(dǎo)磁鐵研究、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)用加速器第14頁(yè)（三）競(jìng)爭(zhēng)（1）20世紀(jì)50~60年代——開(kāi)始運(yùn)作1954年，CERN成立；50年代，CERN質(zhì)子同時(shí)加速器(PS)；1959年，CERNPS調(diào)試完成，從此連續(xù)運(yùn)行。1967年，F(xiàn)ERMILAB成立。1968年12月1日，F(xiàn)ERMILAB直線加速器破土開(kāi)工；1969年10月3日FERMILAB主環(huán)（200GeV質(zhì)子加速器）破土開(kāi)工。第15頁(yè)CERN質(zhì)子同時(shí)加速器(PS)建于20世紀(jì)50年代質(zhì)子同時(shí)加速器PS（ProtonSynchrotron），是CERN加速器中最老和用途最廣加速器。1959年調(diào)試完成，從此連續(xù)運(yùn)行。它直徑為200米，最高能量達(dá)GeV，一度是世界上功率最大加速器。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。第16頁(yè)（2）20世紀(jì)70~80年代——各有千秋1971年，CERN質(zhì)子對(duì)撞機(jī)ISR（IntersectingStorageRings）投入運(yùn)行，1984年拆除；1971年，CERN超級(jí)質(zhì)子同時(shí)加速器SPS（SuperProtonSynchrotron）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200GeV束流經(jīng)過(guò)主環(huán)，使FERMILAB產(chǎn)生了世界上最高能量粒子。1973年，CERNGargamelle氣泡室發(fā)覺(jué)了中性流。1974年，CERNLEP加速器上L3試驗(yàn)講話人丁肇中是1976年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)人之一，他與美國(guó)SLACBurtRichter于同時(shí)發(fā)覺(jué)J/psi粒子。1977年6月30日，F(xiàn)ERMILAB宣告發(fā)覺(jué)底夸克；20世紀(jì)80年代，CERN大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP（LargeElectronPositronCollider）開(kāi)工，1989年8月13日實(shí)現(xiàn)首次對(duì)撞。第17頁(yè)1983年物理學(xué)家魯比亞（Rubbia）和范德梅爾（VanDerMeer）在CERN試驗(yàn)中發(fā)覺(jué)W±和Z0粒子，統(tǒng)一了弱相互作用和電磁相互作用，取得了1984年諾貝爾物理獎(jiǎng)。CERNLEP加速器上ALEPH試驗(yàn)責(zé)任人，理論物理學(xué)家JackSteinberger因中微子束流方法和經(jīng)過(guò)發(fā)覺(jué)μ子中微子展現(xiàn)出輕子二重態(tài)結(jié)構(gòu)與FERMILABLeonLederman和MelSchwartz共獲1988年諾貝爾物理獎(jiǎng)?？濉敱葋喎兜旅窢朖ackSteinberger第18頁(yè)1986年，F(xiàn)ERMILABStanleyLivingston取得EnricoFermi獎(jiǎng)；1984年12月，F(xiàn)ERMILABRobertR.Wilson取得EnricoFermi獎(jiǎng)；第19頁(yè)CERNpp對(duì)撞機(jī)（ISR）質(zhì)子對(duì)撞機(jī)ISR（IntersectingStorageRings）使用交叉儲(chǔ)存環(huán)，其能量為2×31GeV。ISR交叉儲(chǔ)存環(huán)第20頁(yè)CERN超級(jí)質(zhì)子同時(shí)加速器(SPS)超級(jí)質(zhì)子同時(shí)加速器SPS（SuperProtonSynchrotron），主加速器平均直徑達(dá)2200米。能量輸出300GeV至450GeV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質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)SP`PS，質(zhì)子和反質(zhì)子可在這里加速到270GeV然后進(jìn)行對(duì)撞，所得到質(zhì)心系能量相當(dāng)于155TeV靜止靶加速器進(jìn)行同類試驗(yàn)所能到達(dá)能量。因?yàn)榱炼雀哂谕瑫r(shí)期美國(guó)費(fèi)米試驗(yàn)室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SP`PS上發(fā)覺(jué)了Z0及W±中間玻色子，并為此取得1984年諾貝爾物理獎(jiǎng)。年后，SPS為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）注入中子及重離子。第21頁(yè)SPS隧道

SPS示意圖第22頁(yè)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)競(jìng)爭(zhēng)中占上風(fēng)，CERN開(kāi)始開(kāi)工建造大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP（LargeElectronPositronCollider），總投資6億美元（由組員國(guó)共同負(fù)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50～175米隧道中，隧道截面為半徑1.9米圓。LEP主環(huán)上有488塊36米長(zhǎng)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)采取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)電子能量分別為50GeV。LEP是由多級(jí)加速器串接而成，包含：LIL-EPA-PS-SPS-LEP，成為連續(xù)性加速裝置，使能量不停提升，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)能量。第23頁(yè)直線加速器LIL（LEPinjectorLinac）引出正電子注入正電子積累環(huán)EPA（Electron-PositronAccumulator）后進(jìn)行積累，到達(dá)足夠強(qiáng)度后引出并與LIL引出電子束一起注入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

第24頁(yè)LEP上有四個(gè)大型試驗(yàn)設(shè)施：ALEPH、DELPHI、L3和OPAL。中國(guó)參加了其中ALEPH和L3試驗(yàn)及后續(xù)L3C試驗(yàn)。LEP二期工程中，用256個(gè)超導(dǎo)腔逐步換下原有128個(gè)高頻腔，將正負(fù)電子能量分別提升到100GeV，總對(duì)撞能量為200GeV。LEP二期超導(dǎo)腔

第25頁(yè)(3)20世紀(jì)末以及二十一世紀(jì)1992年6月，F(xiàn)ERMILABLeonLederman取得EnricoFermi獎(jiǎng)。1994年4月26日，F(xiàn)ERMILAB宣告頂夸克第一個(gè)直接證據(jù)。1995年3月3日，F(xiàn)ERMILABCDF和D0合作組試驗(yàn)人員宣告發(fā)覺(jué)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觀察到反氫原子。CERN理論物理學(xué)家GeorgesCharpak1968年創(chuàng)造了多絲正比室及其隨即研制出探測(cè)器，開(kāi)創(chuàng)了電子探測(cè)粒子新時(shí)代。因他創(chuàng)造，尤其是多絲正比室——探索物質(zhì)最內(nèi)部結(jié)構(gòu)技術(shù)上突破而獲1992年諾貝爾物理獎(jiǎng)。1997年，F(xiàn)ERMILAB發(fā)覺(jué)頂夸克（t）。1999年，CERN于NA48試驗(yàn)中直接發(fā)覺(jué)CP破壞存在證據(jù)1999年3月1日，F(xiàn)ERMILAB在中性K介子中觀察到直接CP破缺。年4月13日，F(xiàn)ERMILAB斯隆數(shù)字化巡天在紅移5.8觀察到最遙遠(yuǎn)物體；。第26頁(yè)年7月20日，F(xiàn)ERMILABDONuT試驗(yàn)匯報(bào)直接觀察到t中微子第一個(gè)證據(jù)，從而開(kāi)啟了物理研究一個(gè)新時(shí)代；2011月7日，F(xiàn)ERMILABNuTeV合作組匯報(bào)Sinqw異乎尋常高值為0.2277；20，CERN決定拆除LEP原有全部磁鐵和設(shè)備，建造實(shí)現(xiàn)7.7TeV能量質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC（LargeHadronCollider）207月9日，F(xiàn)ERMILAB首次在再循環(huán)環(huán)中觀察到電子冷卻反質(zhì)子；第27頁(yè)年1月12日，F(xiàn)ERMILAB斯隆數(shù)字化巡天－II匯報(bào)發(fā)覺(jué)139個(gè)新型1a超新星。年9月25日，F(xiàn)ERMILAB發(fā)覺(jué)Bs物質(zhì)－反物質(zhì)振蕩:3萬(wàn)億次/秒。年10月23日，F(xiàn)ERMILAB發(fā)覺(jué)b重子（u-u-b和d-d-b）。201月7日，F(xiàn)ERMILABCDF宣告經(jīng)過(guò)單個(gè)試驗(yàn)對(duì)W波色子質(zhì)量最準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果；206月，發(fā)覺(jué)b重子（d-s-b夸克組合）。第28頁(yè)年6月28日，F(xiàn)ERMILABSDSSII發(fā)表約2.87億個(gè)天體包含197個(gè)類型1a超新星圖象。年11月8日，F(xiàn)ERMILABPierreAuger天文臺(tái)觀察到超高能不均勻分布。203月30日，F(xiàn)ERMILAB發(fā)覺(jué)產(chǎn)生ZZ雙波色子。203月9日，F(xiàn)ERMILAB發(fā)覺(jué)產(chǎn)生單個(gè)頂夸克。203月11日，F(xiàn)ERMILABD0試驗(yàn)室組宣告W波色子質(zhì)量最正確測(cè)量結(jié)果。203月18日，F(xiàn)ERMILAB發(fā)覺(jué)新夸克結(jié)構(gòu)，命名為Y（4140）。第29頁(yè)CERN大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)

年，CERN決定拆除LEP原有全部磁鐵和設(shè)備，建造實(shí)現(xiàn)7.7TeV能量質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC（LargeHadronCollider）?？偼顿Y48億1千9百萬(wàn)瑞士法郎（由美國(guó)、日本、俄羅斯、印度等國(guó)共同出資），LHC成為世界上最大粒子加速器設(shè)施，二十一世紀(jì)前十多年中世界唯一質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，總撞擊能量達(dá)14TeV，主要用于開(kāi)展模擬宇宙大爆炸試驗(yàn)，尋找理論上預(yù)見(jiàn)物理現(xiàn)象。第30頁(yè)CERN大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）第31頁(yè)為節(jié)約經(jīng)費(fèi)，LHC將充分利用CERN現(xiàn)有設(shè)備和設(shè)施，如27公里長(zhǎng)LEP隧道，粒子源和以前加速器等。LHC采取了最先進(jìn)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，管中質(zhì)子以相反方向，圍繞著整個(gè)環(huán)型加速器運(yùn)行。LHC利用原LEP27公里周長(zhǎng)隧道，隧道直徑三米，貫通瑞士與法國(guó)邊境

LHC示意圖第32頁(yè)在粒子進(jìn)入主加速環(huán)之前，經(jīng)過(guò)一系列加速設(shè)施逐層提升能量。由兩個(gè)直線加速器引出質(zhì)子束流送入質(zhì)子同時(shí)加速器PS后可到達(dá)25GeV能量，然后在超級(jí)質(zhì)子同時(shí)加速器SPS中可將質(zhì)子能量提升到450GeV。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溫度，已經(jīng)靠近絕對(duì)零度，磁鐵上線圈到達(dá)超導(dǎo)狀態(tài)，以提供連續(xù)穩(wěn)定磁場(chǎng)。質(zhì)子被加速至7TeV進(jìn)行對(duì)撞，總撞擊能量到達(dá)14TeV。LHC運(yùn)行時(shí)對(duì)撞點(diǎn)上每秒鐘發(fā)生最少6億次粒子對(duì)撞，環(huán)上不一樣對(duì)撞點(diǎn)建有CMS、ATLAS、LHCb、ALICE四個(gè)大型探測(cè)器，對(duì)撞產(chǎn)生各種粒子被探測(cè)器測(cè)量、統(tǒng)計(jì)，并作物理分析。第33頁(yè)LHC上大型探測(cè)器示意圖第34頁(yè)萬(wàn)億電子伏特加速器Tevatron

在美國(guó)，最高能量對(duì)撞機(jī)就是費(fèi)米試驗(yàn)室萬(wàn)億電子伏特加速器Tevatron，在歐洲核子中心CERN大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC建成之前，Tevatron是世界上最大加速器。萬(wàn)億電子伏特加速器Tevatron示意圖

第35頁(yè)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)磁鐵圍繞真空管道。各類磁鐵組合使束流按大圓形彎轉(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)磁場(chǎng)，工作在華氏－450度，磁鐵內(nèi)電纜沒(méi)有電阻，傳導(dǎo)大量電流。特大磁力可將粒子加速到更高能量。

第36頁(yè)Tevatron主控制室第37頁(yè)

（1）加速器鏈Tevatron由多級(jí)加速器組成：750keV預(yù)注入器、200MeV直線加速器、8GeV增強(qiáng)器和500GeV主加速器。第38頁(yè)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，把從離子源中引出負(fù)氫離子加速到750keV。第39頁(yè)直線加速器：直線加速器是產(chǎn)生帶負(fù)電氫離子是產(chǎn)生質(zhì)子和反質(zhì)子束流第一步。費(fèi)米試驗(yàn)室第一個(gè)直線加速器建于1971年，最初加速粒子高達(dá)200MeV。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)生帶負(fù)電離子加速到400MeV，或大約光束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。第40頁(yè)增強(qiáng)器：位于地下約20英尺增強(qiáng)器是一個(gè)環(huán)型加速器，進(jìn)入增強(qiáng)器離子要穿過(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0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)加速力，這使得到加速周期結(jié)束時(shí)將質(zhì)子能量加速到8GeV，然后引出束流向主加速器注入。第41頁(yè)主注入器：主注入器1999年完工，有以下功效：（1）將質(zhì)子從8GeV加速到150GeV；（2）產(chǎn)生120GeV質(zhì)子，用于反質(zhì)子產(chǎn)生；（3）從反質(zhì)子源接收反質(zhì)子并把它們能量提升到150GeV；（4）將質(zhì)子和反質(zhì)子注入Tevatron。主注入器（下）與返航器（上）第42頁(yè)反質(zhì)子源：為產(chǎn)生反質(zhì)子，主注入器把120GeV質(zhì)子送到反質(zhì)子源，質(zhì)子與鎳靶對(duì)撞，產(chǎn)生范圍很廣次級(jí)粒子，包含許多反質(zhì)子。反質(zhì)子被搜集，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。第43頁(yè)Tevatron：接收從主注入器來(lái)150GeV質(zhì)子與反質(zhì)子，并將其幾乎加速到1000GeV。質(zhì)子與反質(zhì)子按相反方向在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CDF和D0探測(cè)器中心部分發(fā)生對(duì)撞，暴發(fā)式地產(chǎn)生新粒子。第44頁(yè)（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)域束流也測(cè)試探測(cè)器，并進(jìn)行不包括中微子固定靶試驗(yàn)。將各種材料樣品放入光束線中，研究各種類型粒子和它們相互作用。利用這些裝置，物理學(xué)家們?cè)?977年6月30日發(fā)覺(jué)底夸克和年Donut試驗(yàn)探測(cè)到t中微子。第45頁(yè)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)觀察質(zhì)子和反質(zhì)子之間對(duì)撞兩個(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)生不一樣類型粒子。經(jīng)過(guò)分析這些“碎片”，探究物質(zhì)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)次對(duì)撞，產(chǎn)生大量新粒子。對(duì)于有趣事例，探測(cè)器統(tǒng)計(jì)每個(gè)粒子飛行軌道、能量、動(dòng)量和電荷。物理學(xué)家們倒班工作，一天二十四小時(shí)地監(jiān)測(cè)探測(cè)器運(yùn)行情況。第46頁(yè)CDF探測(cè)器CDF與D0探測(cè)器位置示意圖D0探測(cè)器第47頁(yè)

建設(shè)歷程

1968年12月1日，費(fèi)米試驗(yàn)室直線加速器破土開(kāi)工；1969年10月3日主環(huán)（200GeV質(zhì)子加速器）破土開(kāi)工。1972年3月1日第一個(gè)能量為200GeV束流經(jīng)過(guò)主環(huán)，使費(fèi)米試驗(yàn)室產(chǎn)生了世界上最高能量粒子。1972年12月14日主環(huán)能量倍增到400GeV。1978年，為深入提升粒子能量，費(fèi)米試驗(yàn)室決定建造體積更大、功效更強(qiáng)大型對(duì)撞機(jī)，先集中技術(shù)力量，將主環(huán)能量提升至1兆電子伏特。1981年，主環(huán)創(chuàng)造400GeV時(shí)3x1013質(zhì)子/脈沖世界紀(jì)錄。1983年7月，產(chǎn)生了世界上第一個(gè)能量為512GeV束流（當(dāng)初命名為能量倍增器EnergyDoubler）。第48頁(yè)1983年8月16日，反質(zhì)子源破土開(kāi)工，準(zhǔn)備耗資1.2億美元建造世界上能量最高粒子加速器——質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)Tevatron。Tevatron1000塊超導(dǎo)磁鐵由液氦冷卻，使溫度到達(dá)攝氏零下268度，其低溫冷卻系統(tǒng)為當(dāng)初加速器歷史上最大低溫系統(tǒng)。1984年2月，能量倍增器產(chǎn)生了第一個(gè)能量為800GeV束流。1985年10月13日，CDF探測(cè)器在質(zhì)心能量1.6TeV時(shí)首次觀察到質(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900GeV束流。Tevatron成為世界最高能量質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。第49頁(yè)1992年，D0探測(cè)器開(kāi)始調(diào)試。為增加質(zhì)子反質(zhì)子對(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150GeV常規(guī)磁鐵環(huán)作為新注入器，亮度提升10倍。目標(biāo)是尋找希格斯粒子，假如理論學(xué)家預(yù)言是正確，那么這將有利于解釋為何宇宙中萬(wàn)物都有質(zhì)量。1993年5月22日主注入器加速器破土開(kāi)工。1993年9月4日，新400MeV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)世界紀(jì)錄。第50頁(yè)1996年，Tevatron第一次升級(jí)改造完成，向CDF和D0發(fā)送180pb-1，試驗(yàn)觀察到了反氫原子。1997年，為固定靶試驗(yàn)2.86E13發(fā)送創(chuàng)統(tǒng)計(jì)流強(qiáng)800GeV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。年，固定靶項(xiàng)目結(jié)束，為43個(gè)試驗(yàn)提供束流。大型探測(cè)器CDF和DO進(jìn)行了改進(jìn)，為新重大發(fā)覺(jué)和開(kāi)展新物理工作奠定基礎(chǔ)。20，Tevatron第二次升級(jí)開(kāi)始。20，加速器峰值亮度到達(dá)1X1032cm-2s-1。20，積分亮度到達(dá)1fb-1；首次在再循環(huán)環(huán)中觀察到電子冷卻反質(zhì)子。20，反質(zhì)子源聚積率首次超出20mA/小時(shí)。20峰值亮度超出3X1032cm-2s-1；在單個(gè)一周內(nèi)發(fā)送50pb-1。201月11日，費(fèi)米試驗(yàn)室宣告Tevatron將于209月關(guān)閉。第51頁(yè)FERMILAB超大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)費(fèi)米試驗(yàn)室正在分兩個(gè)階段進(jìn)行超大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)設(shè)計(jì)研究。第一個(gè)階段，利用放在大周長(zhǎng)隧道中堅(jiān)固超鐵氧體磁鐵，該對(duì)撞機(jī)對(duì)撞能量到達(dá)40TeV，亮度與西歐中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC亮度一樣。第一階段潛在科學(xué)目標(biāo)完全實(shí)現(xiàn)后開(kāi)始第二階段工作。在同一隧道中安裝上高磁場(chǎng)磁鐵，對(duì)撞能量最少到達(dá)175TeV。第52頁(yè)為到達(dá)所需能量，第一個(gè)階段所用低場(chǎng)磁鐵需要233公里長(zhǎng)隧道。即使建造這么長(zhǎng)隧道面臨工程量大、管理和公眾接收挑戰(zhàn)，在技術(shù)上似乎沒(méi)有什么不可能在大約6年時(shí)間里建成理由，方便開(kāi)始