欧洲核子研究中心CERN.docx

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欧洲核子研究中心CERN

1951年起，欧洲11个国家开始规画成立欧洲核子研究中心CERN（European Organization for Nuclear Research），1954年9月CERN正式成立。

CERN位于法国和瑞士交壤处的日内瓦城周围，通过几十年的进展，现已有26个成员国，成为世界上最大的粒子物理研究中心。

CERN的经费由各成员国分摊，所长由理事会录用，任期5年。

CERN的研究人员达9000人，来自世界80多个国家的6000多名物理学家曾在此工作过。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 CERN鸟瞰　　　　　　　 CERN位于法国和瑞士交壤处的日内瓦城周围 

CERN的大科学装置群

1959年开始运行

1971年开始运行，1984年拆除

1976年开始运行，1983年改造成质子-反质子对撞机SP`PS 

20世纪70年代建造 

1989年开始运行 

2020年运行出了事故，2020年从头开始运行 

2005年发送第一批中微子 

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，从此持续运行。

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。

PS隧道　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 PS示用意

（2）质子交叉贮存环ISR

质子对撞机ISR（Intersecting Storage Rings）利用交叉贮存环，其能量为2×31 GeV，1971年投入运行，1984年拆除。

ISR的交叉贮存环

（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年改造成能量别离为400GeV的质子-反质子对撞机SP`PS，质子和反质子可在那个地址加速到 270 GeV然后进行对撞，所取得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SP`PS上发觉了Z0及W±中间玻色子，统一了弱彼此作用和电磁彼此作用，并为此取得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。

SPS 隧道　　　　　　　　　　 　　　　　　　　SPS示用意

（4）反质子积存器AA、低能反质子环LEAR、反质子搜集器AC、反质子减速器AD

反质子积存器AA（Antiproton Accumulator）是一台反质子源，建于20世纪70年代末。

其要紧任务是产生和积存高能反质子注入到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取得更大收成，CERN建造了一台低能反质子环LEAR（Low Energy Antiproton Ring）。

反质子从反质子积存环AA中积存后引出，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）。

反质子搜集器AC（Antiproton Collector）建在反质子积存器AA周围，可将反质子的产生率提高10倍。

　　　　　　　　LEAR、AC和AA的示用意　　　　 低能反质子环LEAR　　 反质子搜集器AC和反质子积存器AA环

后来反质子搜集器AC改造为反质子减速器AD（Antiproton Decelerator），它执行反质子搜集器（AC）、反质子积存器（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、减速，最后将其引出提供给实验。

反质子减速器AD的实验大厅　　　　　　　　　 反质子减速器AD示用意

（5）大型正负电子对撞机LEP

20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（由成员国一起承担）。

LEP周长27千米，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。

对撞区采纳8块超导四极铁。

1989年8月13日实现第一次对撞，正负电子的能量别离为50 GeV。

LEP是由多级加速器串接而成，包括：

LIL-EPA-PS-SPS-LEP，成为持续性的加速装置，使能量不断提高，每台机械将束流注入到下一台机械里，然后将束流加速到更高点的能量。

LEP示用意

直线加速器LIL（LEP injector Linac）引出的正电子注入正电子积存环EPA（Electron-Positron Accumulator）后进行积存，达到足够强度后引出并与LIL引出的电子束一路注入PS加速后再注入SPS加速，最终注入LEP加速并实现对撞。

直线加速器LIL　　　　　　　　　　　　　　　　　　 正电子积存环EPA 

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实验。

LEP的二期工程中，用256个超导腔慢慢换下原有的128个高频腔，将正负电子能量别离提高到100 GeV，总对撞能量为200 GeV。

LEP二期的超导腔 

（6）大型强子对撞机LHC

2001年，CERN决定拆除LEP原有的全数磁铁和设备，建造实现 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、印度等国一起出资），LHC成为世界上最大的粒子加速器设施，21世纪前十连年中世界唯一的质子-质子对撞机，总撞击能量达 14 TeV，要紧用于开展模拟宇宙大爆炸的实验，寻觅理论上预见的物理现象。

LHC示用意 

为节省经费，LHC将充分利用CERN现有的设备和设施，如27千米长的LEP隧道，粒子源和以前的加速器等。

LHC采纳了最先进的超导磁铁和加速器技术，加速器通道中要紧放置两个质子束管。

加速管由超导磁铁所包覆，管中的质子以相反的方向，围绕着整个环型加速器运行。

 LHC利用原LEP的27千米周长的隧道，隧道直径三米，贯穿瑞士与法国边境　　　 LHC示用意　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

在粒子进入主加速环之前，通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主环上散布着约7000块磁铁，这些磁铁用液态氮气冷却到约的温度，已经接近绝对零度，磁铁上的线圈达到超导状态，以提供持续稳固的磁场。

质子被加速至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，对撞产生的各类粒子被探测器测量、记录，并作物理分析。

LHC上的大型探测器示用意

（7）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730千米之外的意大利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彼此作用，因此，这些粒子能够通过不受干扰的地下抵达距CERN 730千米的意大利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，现正预备安装探测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实验室方向产生强中微子束流。

CERN现有的全数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 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。

从CERN发送中微子束流到意大利的Gran Sasso

CERN发送中微子束流示用意

（8）正在进行的两项重大R&D打算

CERN正在进行的两项重大R&D打算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，采纳双束加速方式：

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、调制器和脉冲紧缩装置。

超导质子直线加速器SPL（Superconducting Proton Linac）是一个 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，并知足以后中微子和离子束辐射物理实验的需要。

　　　　　　　　　　　　　　紧凑型直线对撞机CLIC示用意　　　　　　　　　　　　超导质子直线加速器SPL示用意 

■ 辉煌的成绩

1984年Carlo Rubbia和Simon Van der Meer因对致使发觉弱彼此作用的传递者场粒子W和Z的大项目所作出的决定性的奉献取得诺贝尔物理奖。

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，实验结果证明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，开辟了电子探测粒子的新时期。

因他的发明，专门是多丝正比室——探讨物质最内部结构技术上的冲破而获1992年诺贝尔物理奖。

CERN 还吸引了很多诺贝尔奖取得者前来工作。

CERN 第一任所长Felix Bloch和Edward Mills Purcell因开发出核磁周密测量的新方式和随后的发觉获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年同时发觉J/psi粒子。

LEP加速器上ALEPH实验的负责人，理论物理学家Jack Steinberger因中微子束流方式和通过发觉μ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（Rubbia）和范德梅尔（Van Der Meer）在CERN的实验中发觉W±和Z0粒子，取得了1984年的诺贝尔物理奖。

■ 成为国际最大的核子研究中心 

数十年来，CERN前后建成质子同步回旋加速器、质子同步加速器PS、交叉贮存环（ISR）、超级质子同步加速器（SPS）、质子直线加速器（Linac2）、重离子直线加速器（Linac3）、大型正负电子对撞机（LEP）、大型强子对撞机LHC等大科学装置，形成了具有强竞争力的大科学装置群，吸引全世界一流的科学家到CERN开展研究，在粒子物理研究等领域取得了举世注视的功效，CERN从而成为名不虚传的国际上最大的核子研究中心。