西欧核子研究中心的物理实验

加速器产生带电粒子束后，可以让它打固定靶的原子，或与来自相反方向同样的束流发生对撞。在这两种情况下，都产生大量的新粒子。物理学家们利用探测器对每个粒子进行计数，跟踪和描述其特征，研究许多可能的相互作用过程。这些物理学家们有理论、有信念、有思想，通过实验证明其是正确的还是错误的。西欧中心的实验有三方面的特点：一是科学目标，即想发现什么；二是实验装置，即所使用的探测器；三是国际合作。西欧中心的物理实验主要分为两类：固定靶实验和对撞实验。固定靶实验研究粒子束与靶原子对撞后发生了什么。靶反冲中用去多数的束流能量，只剩下少部分能量创造新的粒子。在固定靶实验中，所产生的粒子一般都向前飞行，所以实验通常都用锥型探测器，放在光束线的下游。对撞实验研究两个按相反方向运动的粒子束发生的对撞。这样，就没有浪费反冲能量，所有的能量都可用来产生新的粒子。在这些事例中，新产生的粒子从对撞点向所有方向辐射，所以探测器是球型，或是更常见的圆柱型。固定靶实验在PS（右图1）、SPS（右图2）和AD（右图3AD高频腔）加速器上运行的几个固定靶实验如下：ISOLDE（在线同位素质量分离器）是一个独特的低能不稳定放射性同位素源，位于质子同步加速器增强器SPS。不稳定放射性同位素是有许多质子或中子的原子核，对它们的研究可使科学家们改进原子核的模型，其应用范围涉及天体物理到工业和医学。（左图为ISOLDE设备布局）在AD（反物质减速器）上，科学家们试图把一个个反物质组合在一起，而在质子同步加速器PS上，其它的科学家则集中精确测量特殊原子和粒子的非常特别的特性。AD实验包括：反氢原子的产生和光谱学ATHENA实验采用完全不同的方法产生反氢原子。其思路是在低能—主要是在静止时产生反氢原子，以便研究它们的特性。西欧中心建反质子减速器的目的在于得到反质子（这些反质子是在高能对撞中产生的），并将它们降速到更便于运用的能量。ATHENA装置将来自反质子减速器的反质子加以减速、冷却和捕获。反质子在称为彭宁（Penning）陷阱的电磁“瓶”高真空中被捕获，同时来自放射性源的正电子累积在另一个陷阱里，两群带电粒子（约1万反质子，7千万正电子）混合在一起产生反氢原子。所有这一切都是在绝对零上15度的低温环境里发生的。形成的反氢原子从电磁陷阱中逃逸出来，因为它们不带净电荷。然后它们湮灭，被一个特制的探测器探测到。反氢原子在该探测器中产生一个具有非常特征的湮灭信号，使研究人员可以对反氢原子的产生加以确认。到目前为止，ATHENA已直接探测到131±22反氢原子。这意味着该装置实际上产生了5万个反氢原子，因为多数逃脱了探测。ATHENA下一步要测量反氢原子光谱，并与氢原子加以比较。这两个光谱的任何差别都需要对目前的物质与反物质模型进行根本改变。ATHENA取得的结果是反物质科学的一个重要里程碑，打开了人们期望将原子捕获、冷却和处理的现代技术应用到原子反物质领域的大门。检验重力影响下的反物质行为也是未来有趣的课题。ATRAP1986-1999年期间，TRAP合作组，自此改名为反氢原子捕获合作组（ATRAPCOLLABORATION）开发出对反质子加以减速、捕获和进行电子冷却的反质子。反氢原子捕获合作组在能够累积大量的冷反质子之前，只有接近光速运动的高速反质子可以进行研究。ATRAP利用TRAP的技术制造冷反氢原子。反质子被减速、冷却。最后在4.2K热平衡中储存起来。4.2K为平均能量，比以前的反质子能量低100亿倍。单个反质子数月长的禁闭，背景压力低于5×10-17托和对来自单个被捕获的反质子的无线电信号的无损伤探测可以说明，反质子与质子的质荷差小于9/1011，该比较值比以前的精确了将近100万倍。使冷反质子减速、冷却和对其储存的技术，使ATRAP合作组及其竞争者可以生产冷到精确激光光谱学足以捕获的反氢原子。（左图为第一个反氢原子陷阱）所有初期在西欧中心搞的冷反质子实验都是在其低能反质子环（LEAR）上进行的，该独特的设备后来关闭。2000年和以后的反氢原子实验，均在专门为此建造的反质子降速环上进行。利用TRAP开发出来的技术，反质子将在陷阱中而不是在储存环中累积，从而降低了西欧中心的运行费用。ASACUSA是低能反质子环开展反质子氦研究的派生项目。1990年，在KEK工作的日本一个小组表明，反质子停在氦靶中形成所有的镤电子原子的3%存活几微秒，然后反质子才陷入原子核中湮灭。这一亚稳定性与期望的完全相反，明显与电子的屏蔽效应的存在相连。为防止原子受靶中正常氦原子对撞损伤效应的影响，电子给其提供了保险。反质子的主量子数n和角动量量子数l大约都是40，因此，其原子中的德布罗意波长比n=1电子的约小40倍。这意味着它的原子轨道几乎是经典的，而电子的轨道则完全是量子力学的。（左图为ASACUSA实验）如这一混合特征是反质子氦原子的唯一有趣特点的话，那么它只是原子物理学家的集邮中一个极其稀有的东西。更为重要的是，它的寿命相对湮灭而言长到足以使激光束流打到它。接近n=40时，反质子的能级间隔应约为2eV或600nm。此点于1993年由低能反质子环组予以证实，该组利用597.259(2)nm的激光脉冲激励了(n,l)=(39,35)和(n,l)=(38,34)能级之间的量子跃迁。到目前为止，实验人员共发表了约250页的实验结果，表明激光技术达到了从未有过的的精确度。在理论方面，计算现在已详细到足以考虑对电子运动的相对论修正，并给出对现在已知所有13个跃迁的跃迁波长在被测量波长的百万分之几范围内。从这些发展中，利用同量的精确度，可以推断出反质子量子电动力学的基本能量尺度里德伯常数。低能反质子环组的最后推断揭示了(n,l)=(37,35)到(n,l)=(38,34)跃迁中的超精细结构。这种跃迁产生于电子自旋和反质子角动量的小的相互作用能量。ASACUSA期望第一年在反质子减速器上继续研究其前合作组在低能反质子环上遗留下来的镤电子原子，利用与镤电子原子三重共振中微波和光束精确测量超精细结构的分裂，第二年在反质子减速器束流上加上一个减速的高频四极铁，将反质子的能量从MeV降到keV。这样在原子产生的瞬间就可对其(n,l)分布进行研究，了解在极低温时反质子的原子相互作用。第三年，再在反质子减速器上加一个彭宁（Penning）陷阱，从此陷阱，静止的反质子被重新加速到eV和keV。由此得到的单色超低能量束流可对形成亚稳定性的镤电子原子的条件进行更严格的控制。PS实验：PS实验旨在测量动量在2-5GeV/c范围内的质子和p介子在薄和厚的核靶上产生的次级强子，以获得对p介子产量的足够了解，优化最近提出的中微子工厂的设计，大大改善大气中微子流量。为更好地解释现在和将来实验中对大气中微子研究所得到的中微子振荡的证据，大气中微子的流量是需要的。HARP又称PS214实验，是在质子同步加速器PS上开展的强子产生实验。目的是研究相对低能强子产生，优化拟议中的中微子工厂靶的建造，帮助了解大气中微子流量。（左图为HARP实验）该实验有一台大接收度的带电粒子磁谱仪，放在PS东大厅，利用带标记的带电粒子束流。实验尽量使用NOMAD和CHORUS实验的现有设备，特别重要的是使用了ALEPH的时间投影室模型，尽管做了大量修改。新做的唯一部件是阈契仑可夫探测器。该实验于2000末投入技术运行，2001年开始物理运行，2002年开始了第二阶段的实验，即去掉质子靶，把氘和氦原子核直接送到实验靶上。虽然实验大气中微子流量中的明显不确定性将被排除，但在第三个阶段，可考虑将束流的动量扩大到约100GeV/c，包括用氦离子运行。这样不仅可将大气中微子流量的可靠计算扩展到100GeV/c区域，而且还能对解开约3×10eV时带电粒子宇宙线光谱“膝区”之迷。DIRAC实验的目标是测量1个飞秒量级的（基态）p+p-原子寿命，精度达10%。实验设备由精密的双臂磁谱仪组成，安装在质子同步加速器上PS。该实验按非模型方法提供S波p介子散射长度差|a_0-a_2|，精度为5%。手征扰动理论框架中的低能量子色动力学现在预言散射精确度非常高，低于2%。因此，这样的测量会通过表示出夸克冷聚的大小，量子色动力学的一个数量级的参数，灵敏地检查对量子色动力学中手征对称破坏的理解。最近手征扰动理论对散射长度的预测得到[p+p-]的原子寿命为（2.9+-0.1）飞秒。（左图为双磁臂谱仪）在SPS（超级质子同步加速器）上，COMPASS实验集中更多了解由夸克组成的粒子—强子，包括普通物质的核子（质子和中子），设法发现强子是如何组成的，特别是什么引起核子的自旋。SPS重离子计划最近给出了一些另人振奋的结果。有7个大的实验测量了铅与铅原子核或铅与金原子核对撞的不同方面，寻找科学家们称的“夸克胶子等离子体”。2000年2月，这些实验的发言人公布了“新物质态”存在的有力证据。在这种新物质态中，夸克不是结合成更复杂的像质子和中子这样的粒子，而是释放出来，自由地漫游。对撞实验4个大型对撞机实验在LEP上进行,它们分别进行了不同的优化，以详细研究电磁和弱力物理的各个方面。在近12年的运行中，实验对标准模型进行了极为精确的检验，数据分析将给出更多的结果。LEP上的4个实验如下：ALEPH系在LEP上开展的粒子物理实验。1989年7月LEP实现第一次对撞后，ALEPH粒子探测器记录了几百万的事例，旨在研究粒子物理标准模型，寻找新物理的表现。参加这一实验的有来自全世界32所大学和国家实验室的几百名物理学家和工程师。ALEPH探测器用来测量LEP上正负电子对撞产生的事例。典型事例复杂，许多粒子以喷注形式分布在整个探测器中。Z峰时事例率低于1Hz，最高能量时起码低100倍。因此，ALEPH探测器是这样设计的，尽量增大立体角，为每个事例积累更多的信息。束流管道周围的圆柱型探测器，中间为正负电子相互作用点，可以做到这一点。长6.4m，直径5.3m的超导磁铁产生1.5泰斯拉的磁场。轭铁为一个16边型的圆柱体，有两个端片，端片上留有LEP机器的聚焦磁铁的孔。轭铁厚1.2m，又分成几层，留有插入溜光管层的空间，这样轭铁就变成了强子量能器。轭铁外面，有两个双层流光管室，记录穿过轭铁的μ子的位置和角度。线圈内有个电子-光子量能器，用来识别可能最高分辨率和电子。它交替地由铅和正比管组成。（左图为ALEPH探测器）带电粒子的中央探测器为时间投影室，长4.4m，直径3.6m，提供每个径迹段的三度空间测量结果。另外，为一个径迹提供330个电离测量结果，这有助于粒子识别。它在内径迹室的外面，该内径迹室为轴-丝漂移室，内外径分别为13cm和29cm，长2m，为来自对撞点的带电粒子提供8个径迹坐标和触发信号。最靠近束流管道处，有一个硅条顶点探测器，为每个径迹测量距沿束流线40cm的束流轴6.3cm和11cm远的两对坐标。束流管道由铍制造而成，直径为16cm，内部真空为10-15大气压。DELPHI实验是在LEP上开展的实验之一，旨在利用探测器识别轻子、光子和强子。LEP加速器使物质（电子）束流与反物质（反电子或正电子）束流发生对撞。物质与反物质相遇后，它们自我毁灭，产生大量能量。根据爱因斯坦著名的公式E=mc2，这些能量转化为新的粒子。DELPHI实验由几层的粒子探测器组成，这些探测器在装置的中心拾取正负电子对撞产生的碎片。每层探测器在识别对撞中产生的粒子中起不同作用，这就帮助了科学家弄清对撞中发生了什么。（左图为DELPHI探测器）DELPHI探测器是个先进的探测器，具有特殊的能力。它利用契仑可夫环成像技术，对各种次级带电粒子加以区分。它还有一个先进的硅探测器提供精确的跟踪，目的主要在于朝对撞点向后推断径迹来探测寿命非常短的粒子。DELPHI探测器的设计和建造共花费了7年时间，12年来每年都取数据。该实验组有550名物理学家，来自22个国家56所大学和研究所。OPAL通过收集和分析LEP上的正负电子对撞事例，研究粒子极其相互作用。OPAL探测器是一个大型多用途的粒子物理探测器，测量正负电子在探测器中心发生对撞后的结果。来自相反