综述欧洲核子中心概况

1、综述欧洲核子中心概况学院：物理科学技术学院专业：应用物理学 姓名：方永祥 学号：20081050070CERNCERN这个词其实是历史上它的前身欧洲核物理研究委员会(Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire)的简称，一直沿用至今，今天的正式名称叫做欧洲核物理研究组织(European Organization for Nuclear Research)，习惯上称为欧洲核子中心。欧洲核子研究中心是世界上最大的粒子物理研究实验室。它成立于1954年，位于日内瓦的西北部，在 法国与瑞士边界的侏罗山脚下。CERN目前拥有世界上设计能量最高的粒子对撞机一大

2、型强子对撞机(Large Hadron Collider，简称LHC)，成为世界粒子物理研究的能量最前沿。CERN还是互联网的诞生地。CERN由20个成员国资助，包括:奥地利,比利时，保加利亚，捷克共和国，丹麦，芬兰，法国，德国，希腊，匈牙利， 意大利，荷兰，挪威，波兰，葡萄牙，斯洛伐克,西班牙，瑞典，瑞士和英国.印度，以色列,日本，俄罗斯联邦，美国，土耳其 欧洲委员会和联合国教科文组(UNESCO)具有观察员身份.CERN的研究计划由来自80多个国家/地区的6500名研究人员实施(相当于世界粒子物理学家总数的一 半左右)，并由2500名常驻员工提供支持.CERN的研究成果包括W和Z玻色子(宇

3、宙的两种基本粒子)的发 现.CERN科学家还开发出了大量探测器和加速器技术,并在放射医学等多个领域屡有建树.除了获得诺贝尔物 理学奖之外,CERN研究人员还首先开发出了现代互联网:Tim Berners-Lee于20世纪90年代初在CERN发明 了万维网，以便使世界各地不同大学和研究所的科学家能够自动共享信息.大型强子对撞机(Large Hadron Collider，LHC)是CERN目前最主要的研究项目，它已经完成建设，并曾 于2008年9月10日启动运行，但于9月19日发生液氦泄漏事故而停机。2009年2月初，CERN决定于 2009年9月底重新启动大型强子对撞机。通过LHC，人们希望寻

4、找Higgs玻色子、超对称粒子、暗物质等物 理现象。除了拥有世界上最大,威力最强的粒子加速器之外,CERN还管理LHC计算网格(LCG)项目.该项目是 世界上最大的国际科学网格服务体系，它通过互联网和专用10Gbit/秒链路访问共享的计算机和数据，使不同区 域的科学家每年可生成，存储和分析15 PB(1500万GB)的数据.早在2004年，在有条不紊地筹备LHC过程 中,CERN的IT部门认识到改造其IT基础设施架构的必要性这个架构必须具备管理此计算网格项目的数据处 理能力.该网格项目本质上是一个全球性分布式数据处理网络.为此,CERN正在建立一个由6000台电脑组成的 数据中心.其中，每台电

5、脑都需要通过可靠的高性能千兆局域网交换机连接.尽管CERN以前的IT基础设施架构 可满足日常网络需求，但由于网格的苛刻需求,CERN认识到有必要重新对其进行评估.因此,CERN于2005年邀 请领先的网络厂商对其业务进行投标.ProCurve最终胜出.CERN的大科学装置群质子同步加速器PS 1959年开始运行质子交叉储存环ISR 1971年开始运行，1984年拆除超级质子同步加速器SPS 1976年开始运行，1983年改造成质子-反质子对撞机SPPS反质子积累器、低能反质子环LEAR、反质子收集器AC、反质子减速器AD 20世纪70年代建造大型正负电子对撞机LEP 1989年开始运行大型强子

6、对撞机LHC 2008年运行出了事故，2009年重新开始运行长基线中微子实验CNGS 2005年发送第一批中微子直线正负电子对撞机CLIC与超导质子直线加速器SPL研制中（1）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）质子交叉储存环ISR质子对撞机ISR（ Intersecting Storage Rings）使用交叉储存环，其能量

7、为2x31 GeV，1971年投入运行， 1984年拆除。（3）超级质子同步加速器SPS超级质子同步加速器SPS（ Super Proton Synchrotron）1971年开始建造，主加速器平均直径达2200米。1976年开始运行，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

8、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士中间玻色子，统一了弱相互作用和电磁相互作用，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。（4）反质子积累器人低能反质子环LEAR、反质子收集器AC、反质子减速器AD反质子积累器AA （ Antiproton Accumulator ）是一台反质子源，建于20世纪70年代末。其主要任务是产生 和积累高能反质子注入到SPS,以便将SPS改造成一台质子反质子对撞机。为了在低能时用这些反质子得到更大收获，CER

9、N建造了一台低能反质子环LEAR（Low Energy Antiproton Ring ）o反质子从反质子积累环AA中积累后引出，在质子同步加速器PS中减速, 然后注入到低能反质子环LEAR进一步减速（LEAR 1982年开始运行，1996年拆除）。反质子收集器AC （ Antiproton Collector）建在反质子积累器AA附近，可将反质子的产生率提高10倍。后来反质子收集器AC改造为反质子减速器AD （ Antiproton Decelerator），它执行反质子收集器（AC ）、 反质子积累器（AA ）、质子同步加速器（PS ）和低能反质子环（LEAR）的任务，产生反质子，将其冷却

10、、 减速，最后将其引出提供给实验。（5 ）大型正负电子对撞机LEP20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50 175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

11、 为 50 GeVoLEP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。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

12、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。大型强子对撞机LHC2001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。为节省经费，LHC

13、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。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

14、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。长基线中微子实验CNGS从CERN将SPS加速器产生的高能中微子束流从地下发送到730公里以外的意大利Gran Sasso国家实验室 研究中微子振荡的实验称为CNGS( CERN neutrinos to Gran Sasso)，包括西欧中心、中国和日本在内的12 个国家的33个研究机构参加了此项目。项目总经费为7100万瑞士法郎，由几个成员国提供，其中意大利提

15、供4860万瑞士法郎，其余由比利时、法国、德国、西班牙和瑞士提供。CERN束流仅包括m子型中微子。中微子很少与物质发生相互作用，因此，这些粒子可以通过不受干扰的地 下到达距CERN 730公里的意大利Gran Sasso实验室。该实验室1987年成立后，国际合作组在此做过许多 实验，现正准备安装探测CERN和LNGS之间的m子-中微子产生的稀有的t中微子的探测器。CNGS项目在CERN建造一个新的中微子束流设备，不包括在LNGS建造探测器的工作，该设备于2000年9 月开始建造，2005年发送第一批中微子。为完成CNGS项目，CERN将最大限度地利用现有的基础设施，向Gran Sasso实验室

16、方向产生强中微子束流。 CERN现有的全部质子加速器都涉及产生CNGS束流：直线加速器LIL给增强器PSB提供50 MeV的质子，增 强器PSB将质子加速到1.4 GeV，然后传输到质子同步加速器PS，质子的能量达到14 GeV，然后被引出并 传输到超级质子同步加速器SPS。正在进行的两项重大R&D计划CERN正在进行的两项重大R&D计划是紧凑型直线对撞机CLIC和超导质子直线加速器SPL。紧凑型直线对撞机CLIC（ Compact Linear Collider）是更富于创新思想的方案，设计能量1TeV，采用双束加 速方法：一个是常温、行波结构的主加速器，另一个是工作于3GeV能量的超导强流

17、电子直线加速器，其电 子束转换后产生微波，再输送到主加速器加速电子和正电子。此方案可省去几千支速调管、调制器和脉冲压 缩装置。超导质子直线加速器SPL（ Superconducting Proton Linac）是一个2.2 GeV的质子直线加速器，它将增加 CERN原有高能加速器（PS、SPS、LHC）的性能，并满足未来中微子和离子束辐射物理实验的需要。辉煌的成就1984年Carlo Rubbia和Simon Van der Meer因对导致发现弱相互作用的传递者场粒子W和Z的大项目所作 出的决定性的贡献获得诺贝尔物理奖。该项目是在超级质子同步加速器SPS里让质子与反质子对撞，实验结 果证实

18、了弱力和电磁力的统一，即标准模型的弱电理论。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，特别是多丝正比室一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。CERN还吸引了不少诺贝尔奖获得者前来工作。CERN第一任所长Felix Bloch和Edward Mills Purcell因开发 出核磁精密测量的新方法和随后的发现获1952年诺贝尔物理奖。LEP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SLAC的Burt Richter于 1974年同时发现J/ps i粒子。LEP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M子中微 子展现出轻子的二重态结构与Leon Lederman和Mel Schwartz共获1988年诺贝尔物理奖。1983年物理学家鲁比亚