粒子探测绪论

粒子探测技术主讲：汪晓莲电话：3601178

辅导：达红玉崔相利近代物理楼307、312高能物理实验室2008年9月8日2/1/20231中国科大汪晓莲本课主要内容与特点内容：以核物理与粒子物理实验为背景，介绍各种探测器的基本概念和基础知识，包括：微观粒子与物质的相互作用和它们的探测原理，粒子探测器的统计性质和实验据处理知识。介绍各种微观粒子探测器：气体探测器、半导体探测器、闪烁探测器、契伦柯夫探测器、气体多丝室、各种径迹探测器、粒子探测系统、各种磁谱仪（高能磁谱仪和重离子磁谱仪）等的基本结构、工作原理、主要特性、种类和应用。特点：技术性强、实践性强理论与实验结合2/1/20232中国科大汪晓莲学习目的和意义培养掌握各种粒子探测技术的专门人才。了解掌握粒子与物质相互作用的物理过程和基本规律，会使用各种探测器。掌握粒子测试系统的原理及组建。掌握大型高能粒子探测谱仪的构成和工作原理。会设计研发新的粒子探测器。2/1/20233中国科大汪晓莲学习方法和基本要求学习方法：理论联系实际，认真听课，独立完成作业，认真做好实验。基本要求：掌握核与粒子物理实验的基本概念，掌握粒子与物质相互作用的基本规律，各种粒子被探测的基本原理。根据实验要求，会选择粒子探测器。确定采用的探测方法和技术，设计粒子探测系统，并给出探测系统原理方框图。2/1/20234中国科大汪晓莲评分标准和要求平时占30%，根据作业、堂上练习、堂上提问、讨论、小论文等综合给分。作业每次留，一周交一次。考试占70%本科生实验单独计分，研究生实验视安排情况而定。实验要求认真预习，写出预习实验报告，合作完成实验，独立完成实验报告。2/1/20235中国科大汪晓莲主要参考书及有关学术刊物《粒子探测器与数据获取》有关章节

高能物理所谢一冈等编著《粒子物理实验方法》有关章节

唐孝威院士等编著NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchAAnnualReviewofNuclearScienceIEEETransactionsNuclearScience高能物理与核物理核技术核电子学与探测技术2/1/20236中国科大汪晓莲绪论宏观物质与微观粒子（无穷大到无穷小）从1026m到10-18m物质的基本结构：由原子到夸克夸克和轻子是物质的最基本组成一、世界是物质的2/1/20237中国科大汪晓莲宇宙起源与演化生命起源及其本质粒子物理与宇宙学：联合与交叉同步辐射与中子散射:提供关键的研究手段物质基本结构21世纪自然科学研究的三个最重要前沿物质科学是一切现代科学的基础2/1/20238中国科大汪晓莲ElectroweakforceElectromagneticforceQEDWeakforceStandardmodelStrongforceQCDGravitationforcegeneralrelaticivityGalaxy1021mMatter10-1mCrystal10-9mAtom10-10mAtomnucleus10-14

mElectronNucleon10-15m<10-18mQuarkDNA10-8mStructureofMatter2/1/20239中国科大汪晓莲

1.寻找构成物质世界的基本元素物质无限可分？哲学命题与科学问题的区别同样的问题,近似的理论哲学命题:思辩科学问题:定量(数学),实验粒子物理标准模型:一种能定量描述与解释所有实验现象的理论类似于元素周期表：夸克模型2/1/202310中国科大汪晓莲StandardModelTheStandardModelisthetheorydescribingtheinteractions(strong,electromagneticandweak)amongelementaryparticlesElementaryparticlescomeintwovarietiesFermions(quarks&leptons)andGaugeBosonsTheelectroweaksymmetryrequiresparticlestobemasslessmustbebrokenSMisagaugetheorywithsymmetrygroupsSU(3)CSU(2)LU(1)Y01Qeincreasinginmass2/1/202311中国科大汪晓莲物质之间已知的相互作用引力相互作用电磁相互作用弱相互作用强相互作用相互作用的传播所有的相互作用均通过传播子以光速传播引力:质量,引力子(?)电磁力:电荷,光子长程力，与作用距离平方成反比宏观（经典）作用力短程力，描述微观物理、核物理、粒子物理现象，微观(量子)作用力2.物质之间的相互作用2/1/202312中国科大汪晓莲二、粒子探测技术随着核物理与粒子物理的发展而发展人类对物质世界的认识不断深化，归功于实验和理论的相互促进，归功于粒子加速器和粒子探测器的不断建造和发展实验观测仪器和粒子探测器的发明和发展，使对物质世界的探索逐步走上现代实验科学的轨道2/1/202313中国科大汪晓莲客体尺度与观测手段2/1/202314中国科大汪晓莲光学显微镜不能研究原子的内部结构!!!量子力学告诉我们粒子具有波动性，波具有粒子性l=h/p用电子显微镜大型正负电子对撞机（LEP)曾是世界上最大的电子显微镜电子2/1/202315中国科大汪晓莲1590年发明显微镜，观察细菌、细胞1609年发明望远镜，观察天文（太阳、月亮、星星）1895年伦琴发现X射线1896年Becquerel发现射线1897年J.J.Thomson发现电子1911年E.Rutherford和他的学生Geiger、Marsden发现粒子大角度散射1919年E.Rutherford发现质子1919年F.Hess气球实验,1925年Millikan称它作宇宙线1932年J.Chadwick发现中子原子核由质子和中子组成。质子,中子,电子组成了我们熟悉的物质世界。1931-33年泡利，费米对原子核的衰变谱的解释：中微子(1956年实验证实）1932年Anderson发现正电子(e+)1935年H.Yukawa预言存在介子，M~1/7Mp1936年Anderson&Neddermeyer在宇宙线中发现“介子”（-轻子）1947年5月：Powell等发现了介子1947年12月：Rochester在宇宙线实验中发现了V粒子（奇异粒子K）

1.一些重要历史事件2/1/202316中国科大汪晓莲

1947年前，我们只知道很少的“粒子”，如质子、中子、电子、μ子等，人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元，称之为“基本粒子”。

此后，在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现了大量的粒子：π，π0，K，K0，K0，Λ，，Ξ，Δ…约几百种。有的寿命很短，产生出来很快就蜕变成别的粒子。

问题：是不是这几百种粒子都是“基本”的？王淦昌发现反西格玛负超子1963年,根据大量的实验数据,盖尔曼等猜测这些粒子具有内部结构,并给出了计算这些粒子质量的公式盖尔曼的夸克模型：共有三种夸克u,d,s

60年代中期,中国的粒子物理学家曾提出了层子模型。介子由（qq）构成重子由（qqq）构成+

(ud)质子(uud)2/1/202317中国科大汪晓莲建立夸克模型的关键实验:电子轰击质子(1972)质子并不是一个几何点。它有大小，其半径10-13cm，电荷就分布在这样一个小空间范围质子内部分布着大量的点电荷定量分析表明,质子是由三个夸克组成1974年——丁肇中，B.Richter发现J/

粒子

这个介子寿命非常长。

→charm夸克(c)mc~1.5GeVJ/Ψ

由(cc

)构成。

1977年——L.Lederman

发现(9.5GeV)

→Beauty(Bottom)(b)mb~5GeV(9.5)由(bb

)构成1994年——Fermilab.CDF组发现Top夸克(t)

mt

~176GeVee2/1/202318中国科大汪晓莲粒子

原子核物理和粒子物理领域中的各种微观粒子射线快速粒子束核辐射原子核自发放射各种射线的现象粒子质量与能动量的关系

或2.有关基本概念2/1/202319中国科大汪晓莲BasicConcepts:Energy2/1/202320中国科大汪晓莲BasicConcepts:Energy2/1/202321中国科大汪晓莲electron(energyU)U=1eV=1.6x10-19J(speedatpositiveplate18000km/s)1KeV=103eV1MeV=106eV1GeV=109eV1TeV=1012eVLEP=209GeVLHC=14TeV-+1Volt电子伏（eV）：电子经过1伏电位差加速所得到的能量2/1/202322中国科大汪晓莲3.粒子源及种类辐射源天外的：宇宙射线天然的：自然界自然存在的放射性核素人工的：用加速器，反应堆产生的放射性核素带电粒子辐射：电子、重带电粒子电磁辐射：X射线、射线中性粒子：中子、中微子、0等2/1/202323中国科大汪晓莲宇宙射线在大气中的簇射射线在大气中由碰撞产生一些新的粒子，如子，介子，奇异粒子等。但是并没有观测到物质的更深层次的结构。（原子，原子核，核子。）2/1/202324中国科大汪晓莲高能加速器和探测器

—高能物理研究的基本工具必要性：探索尺度越小，越需要高能加速器。（波长与能量成反比）产生新重粒子，需要更高能加速器。（E＝Mc2）模拟大爆炸瞬间的粒子状态，需要高能重离子对撞机，以产生极高的温度。加速器类型：一般加速器：加速单束带电粒子。对撞机：两带电粒子束相撞，获得更高的加速效率。分类:e+e-，ep，pp，，重离子—重离子。2/1/202325中国科大汪晓莲静电加速器串列加速器2/1/202326中国科大汪晓莲直线加速器和回旋加速器2/1/202327中国科大汪晓莲同步辐射加速器2/1/202328中国科大汪晓莲对撞束2/1/202329中国科大汪晓莲2/1/202330中国科大汪晓莲世界上第一台对撞加速器1960年意大利科学家陶歇克(B.Touschek)首次提出并在意大利的Frascati国家实验室建成了直径约1米的AdA对撞机，验证了原理，从此开辟了加速器发展的新纪元。

2/1/202331中国科大汪晓莲美国BNL的3.3GeVCosmotron2/1/202332中国科大汪晓莲TevatronColliderFermilabTevatronCollider是目前世界上在运行的最高能量的对撞机质子，反质子束流加速到900GeV，有两个相互作用对撞点(CDFandDØ)95年发现Top夸克2/1/202333中国科大汪晓莲欧洲粒子物理研究中心2/1/202334中国科大汪晓莲CERNLEP正负电子对撞机2/1/202335中国科大汪晓莲4.六位获诺贝尔奖的粒子探测器大师C.T.R.Wilson发现通过蒸气凝结观察带电粒子径迹的方法和技术（1927年）P.M.S.Blackett发展Wilson云室技术，在核物理与宇宙线研究中做出贡献（1948年）C.F.Powell发明乳胶技术，在宇宙线中发现介子（1950年）2/1/202336中国科大汪晓莲D.A.Glaser发明气泡室（1960年）L.W.Alvarez发展氢气泡室及数据处理技术，发现大量共振态（1968年）G.Charpak发明多丝正比室并发展气体丝室技术（1992年）2/1/202337中国科大汪晓莲三、高能物理实验加速器技术：能量越来越高，固定靶实验，对撞机实验粒子探测器：时间响应快，位置分辨高，能量分辨好读出电子学：快速记录海量的复杂事例标准快电子学插件的NIM系统CAMAC、VME总线系统计算机技术：在线实验数据获取、离线数据分析、事例重建、显示、处理、传输大型综合多粒子高能磁谱仪：通过测量粒子的电荷、能量、动量、径迹、飞行时间，进而鉴别粒子，测量粒子不变质量谱，发现新粒子。国际合作：十几个国家和地区，几十个科研机构和大学，几百上千个科学家、工程师合作2/1/202338中国科大汪晓莲L3:发言人-丁肇中教授中国科大，中科院高能所，上硅所参加2/1/202339中国科大汪晓莲三代轻中微子-LEP实验结果2/1/202340中国科大汪晓莲2/1/202341中国科大汪晓莲从LEP到LHC2/1/202342中国科大汪晓莲2/1/202343中国科大汪晓莲尚待解决的问题Higgs是否存在？超对称粒子（*注）是否存在？胶子球存在的证据，四夸克态、五夸克态、六夸克态和奇特态的寻找。暗物质粒子的探测（WIMP粒子的寻找）CP破坏的本质是什么？粒子为什么有质量？夸克、轻子是基本组元吗？夸克、轻子只有三代吗？*注：超对称粒子是指夸克、轻子自旋为整数，传播子自旋为半整数。2/1/202344中国科大汪晓莲中微子振荡的存在说明中微子有质量，在标准模型框架中不能解释。夸克、胶子等离子体是否存在？为什么宇宙中物质—反物质是不对称的？反物质的寻找（AMS）是否存在标准模型之外的模型？

（标准模型远不能说完备，它有17个参数之多）2/1/202345中国科大汪晓莲ATLASDetector:redpartwithChinesecontributionsChinesecontribution0.5%2/1/202346中国科大汪晓莲CMSDetector:Chinesecontribution1%IHEP－CSCPKU－RPC2/1/202347中国科大汪晓莲原子可以分离为电子，原子核，形成等离子体强色场随着距离拉开能量增加E=mc2为了研究原子的结构….我们可以将原子的组分分离原子核电子夸克真空中产生夸克－反夸克对质子(被禁闭的夸克)

0介子(被禁闭的夸克)夸克禁闭在强子内:强作用力的特点，没有自由夸克中性原子2/1/202348中国科大汪晓莲产生和研究解禁闭的夸克－胶子系统NuclearMatter(confined)HadronicMatter(confined)QuarkGluonPlasmadeconfined!方法

加热

压缩“夸克－胶子等离子体”LatticeQCDcalculations2/1/202349中国科大汪晓莲相对论重离子对撞机(RHIC)RHICBRAHMSPHOBOSPHENIXSTARAGSTANDEMS1km1999年建成。它有两个环（黄环和兰环），周长3.8公里。2/1/202350中国科大汪晓莲Heavy-ionCollisionsRHICBNLAu+Auupto200GeV/n2/1/202351中国科大汪晓莲High-energyNuclearCollisionsS.Bass

HadronizationandFreeze-outInitialconditionsInitialconditioninhigh-energynuclearcollisionsCold-QCD-matter,small-x,high-partondensity -partonstructuresinnucleon/nucleusPartonmatter-QGP-Thehot-QCDInitialhighQ2

interactionsHardscatteringproduction-QCDpredictionInteractionswithmedium-deconfinement/thermalizationInitialpartondensitytime2/1/202352中国科大汪晓莲4DetectorsatRHIC2/1/202353中国科大汪晓莲NeighborCTBTrayEMCRailsFEEMRPCdesigndevelopedatCERN,builtinChinaPrototypeTrayConstructionatRiceUniversity

28MRPCDetectors;24madeatUSTCTheSTARBarrelTOF

MRPCPrototype

70ps,2meterpathCompletedPrototype28moduleMRPCTOFTrayinstalledinSTAROct.‘02inplaceofexistingcentraltriggerbarreltray2/1/202354中国科大汪晓莲24USTCmodulesassembledinthetray(total28)

2/1/202355中国科大汪晓莲TheSTARBarrelTOFMRPCPrototypePrototypemodulesmetallperformancespecsintheSTARenvironmentandproducedimportantphysicsonPID’dCroninEffectMRPCTOF+TPCcleane±IDdownto0.2GeV/c2/1/202356中国科大汪晓莲可能的长远规划项目极高能强子对撞机（VLHC)

电子直线对撞机，NLC/JLCTESLA/CLIC（TeV)

muon对撞机中微子工厂2/1/202357中国科大汪晓莲RFPowerforaElectronAcceleratorElectronsinacircularacceleratorlooseenergydueto SynchrotronradiationUV,X-rayphotonsChargedparticleDE=4p/3(e2b3g4/R)perturn

=>DE

E4/m4(g

=E/m)LEPII:

DE=5.6GeV(2.8%perturn)Power~30,000kWCostscaling$Ecm22/1/202358中国科大汪晓莲S