1、高能物理的进展高能物理的进展高能物理又称粒子物理,是研究物质的基本组元和它们之间相互作用规律的一门科学。高能是指研究粒子物理需要高能加速器实验手段，能量大于1GEV（109电子伏），称高能。高能物理研究的内容涉及到更基本的物质结构以及相互作用规律，因而在人们认识世界和改造世界过程中起到很大作用。 始终处于科学的前沿。 总结出的“标准模型”是物理的基础。 把人们的认识水平推进到10-19米。高能加速器和探测器的应用非常广泛和深远。几十年来高能物理对科学做出了重大贡献。从1901年颁发诺贝尔奖起，已有一百多位物理学家获得了诺贝尔物理奖，其中有41位与粒子物理有关，是物理学中获诺贝尔奖最多的一门分支
2、。 高能物理简介高能物理简介目标：探索物质的基本组元和它们之间相互作用规律。（宇观、宏观、介观、微观）成果：1.建立了夸克模型夸克是参与强相互作用粒子的基本组元，有三代、六种。轻子也是物质的基本组元，也有三代，六种。2.建立了电磁力弱力统一理论和量子色动力学（QCD），再加上夸克模型构成了描述物质相互作用基本规律的理论标准模型。3.发展了高能加速器和探测器技术，并得到了广泛应用夸克模型和三代轻子夸克模型和三代轻子三代夸克:三代轻子：传播子： （电磁力） （弱力） （强力）夸克模型很成功，1995年，t夸克也找到了，能很好描述强子结构。中微子宽度测量的实验，支持轻子（从而夸克）只有三代，与宇宙学
3、的预言相符合。四种相互作用四种相互作用力的类型力的类型引力引力弱力弱力电磁力电磁力强力或核力强力或核力发生作用发生作用的距离的距离延伸到非常延伸到非常大的距离大的距离约小于约小于1010-17-17厘米厘米延伸到非常延伸到非常大的距离大的距离约小于约小于1010-13-13厘米厘米力的强度力的强度1010-38-381010-13-131010-2-21 1传递此力传递此力的粒子的粒子没有发现没有发现中间玻色子中间玻色子WW+ +，WW- -和和Z Z0 0光子（光子（ ）胶子（胶子（g g）粒子的质粒子的质量量不知道不知道约约9090吉电子吉电子伏伏0 0假定为假定为0 0电磁电磁弱电统一理
4、论弱电统一理论20世纪60年代，发现了电磁作用与弱作用有某种对称性。当引入一种对称自发破缺Higgs机制后，建立起电弱统一理论，用规范群SU(2) U(1)描述，使弱作用传播子中间玻色子带有较大的质量。80年代，中间玻色子被发现。但迄今为止尚未发现Higgs粒子。（这种对称自发破缺机制可能是导致粒子质量的原因）按大爆炸模型，在大爆炸之初，四种相互作用是统一的，冷却后，逐步分离为四种相互作用。电弱强统一理论受到实验检验。量子色动力学量子色动力学描述强相互作用的理论。强子（参与强相互作用的粒子）由夸克组成。夸克与胶子是有颜色的（色荷）。“夸克渐进自由”为理论基础。用SU(3) SU(2) U(1)
5、规范群描述很好解释夸克囚禁，强子喷注等实验现象广义相对论描述引力高能加速器和探测器高能加速器和探测器高能物理研究的基本工具高能物理研究的基本工具1)必要性：v探索尺度约小，越需要高能加速器。v产生新重粒子，需要更高能加速器。v模拟大爆炸瞬间的粒子状态，需要高能重离子对撞击，以产生极高的温度。2)加速器类型：v一般加速器：加速单束带电粒子。v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。The Beijing Electron Positron The Beijing Electron Positron ColliderColliderBesII De
6、tector BesII Detector Korea (4)KoreaUniversitySeoulNationalUniversityChonbukNationalUniversityGyeongsangNat.Univ.Japan (5)NikowUniversityTokyoInstituteofTechnologyMiyazakiUniversityKEKU.TokyoUSA (4)UniversityofHawaiiUniversityofTexasatDallasColoradoStateUniversityStanfordLinearAcceleratorCenterUK (1
7、)QueenMaryUniversityChina (18)高能所；中国科学技术大学； 山东大学；浙江大学； 华中师范大学；上海交通大学； 北京大学；高等科学技术中心； 武汉大学；南开大学；河南师范大学；湖南大学；清华大学；辽宁大学； 四川大学；江苏师范学院；广西大学；广西师范大学；DataCollectedwithBESIandBESII J/andDataSample (10(106 6) )J/ 01.11-02.399.11-01.3PhysicsTargetofBEPCIIPrecise measurement of J/、 、(3770) decay Precise measure
8、ment of CKM matrix Light hadronic spectroscopy study and search for glueball, hybrid, exotic state and 4 quark stateExcited state of BaryonD physics: D and Ds decay, D0 D0 mixing, CP violation of D and measurement of fD and fDsPhysicsTargetofBEPCII physics: Lorentz structures of charged currents and
9、 measurement of m and mMechanism of hadronic production R measurementSearch for 1P1、cBEPCIIBEPCIIDoubleRingDoubleRing TargetofBEPCIITargetofBEPCII Expected Events at BES III (1 Year)At 1033,at J/ and 4.14 GeV, 0.61033 Particle EnergySingle Ring（1.2fb-1）Double Ring (4fb-1)D07.0106 2.3107D+5.0106 1.71
10、07Ds 4.14GeV2.0106 4106+-3.57GeV3.67GeV0.61062.91060.21070.96107J/ 3-4109 6-10109 0.6109 2109MainDesignGoalsofBESIIIzAccommodate the high event rate at the high luminosity and with the short bunch spacing of 8ns, the hardware trigger rate is estimated to be around 4000 Hz, and the L3 trigger rate is
11、 about 3000 Hz.zImprove detector resolutions, especially for photons.zImprove particle identification capability.zEnlarge detector solid angle acceptance.zImprove interaction region to fit sc Q magnets MainImprovementsofBESIIICsI Calorimeter: E/E 2.3%MDC ：small cell，Al wire and He based gas P/P (1Ge
12、V) = 0.6-0.7 %0.8T, 0.5 %1T, dE/dx = 6 %T of TOF: Barrel 90 ps；Endcap 110 ps (RPC): Readout hits on strips 4 cmLuminosity monitor: L/ L = 3 %SC Magnet ：1 Tesla, Rin 1.32 m, L 3.8 mTrigger and DAQ system which accommodate the multi-bunch and high luminosity.New electronic readout system: : one wire b
13、usComputer system : PC farm探测器探测器以BES（北京谱仪）为例说明探测器和工作原理顶点探测器顶点注漂移室p，dE/dx飞行时间t（v）簇射测e，能量计数器测径迹，p总的给处粒子的各种参数，得到： m JPC IG（质量） （宽度） （自旋宇称）及有关的物理量。已获得的物理成果已获得的物理成果t夸克，中微子的发现，使三代夸克、轻子模型更完美。标准模型很成功的解释各种复杂的高能现象和规律。电弱统一理论预言的中间玻色子W和Z0都发现了。三喷注的发现给出了胶子存在的证据，QCD很好描述喷注现象以及其它强相互作用现象。深刻地了解对称性规律，发现在弱作用下，宇称（P）对称性以及
14、粒子反粒子变换联合反演（CP）破坏，并寻找b夸克衰变中的CP破坏。到2001年7月，BaBar和Belle以观察到b的cp破坏。神冈探测器发现中微子短缺，可能的解释是中微子振荡为中微子。有中微子振荡，则中微子有质量。BEPC/BESBEPC/BESBEPC能量虽不高，但涉及到粲（c）夸克和轻子能量范围，有很多有意义的物理窗口。因此，十年来，在BES上做出了许多国际上关注的成果，如： 轻子质量的精确测量 R值的精确测量 胶球后选者研究的一些结果 J/， ，D和Ds物理 尚待解决的问题尚待解决的问题Higgs是否存在？超对称粒子（*注）是否存在？胶子球存在的证据暗物质粒子的探测CP破坏的本质是什么
15、？粒子为什么有质量？（从1eV到176GeV）夸克、轻子是基本组元吗？夸克、轻子只有三代吗？中微子振荡存在吗？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）*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。高能物理展望高能物理展望为了解决上述问题，高能物理学家正在建造一台能为14TeV的大型强子对撞机（LHC）及探测器，估计在2005年完成（$20亿元美元）。目标是寻找Higgs粒子和超对称粒子及高能物理的新现象和新规律计划建造： 直线对撞机（1TeV）e +e 储存环 更高能量的强
16、子对撞机（VLHC） 对撞机大型非加速器物理装置探测中微子振荡寻找暗物质加速器和探测器技术的应用加速器和探测器技术的应用加速器：强流，强磁场，高频，高真空等技术。辐照加速器：材料改性。医用加速器：电子、质子、重离子治癌。同步辐射研究与应用：物理、生物、医学、材料 探测技术：探测、成像技术CT、PET、Internet中的wwwMonte Carlo方法应用ATLASATLASATLASATLAS探测器技术的发展探测器技术的发展主要以西欧核子中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）上的实验为例，CMS，ATLASLHC上的实验环境LHC设计：质心能量 14TeV 亮度 1034cm-2s-1每2
17、5ns 质子对撞，每次对撞20个非弹性散射事例，有上前条径迹photophoto离线处理和网络能力的要求离线处理和网络能力的要求例如：为LHC而计划的地区中心能力至2006年CPUCPU( (KS195KS195) )磁盘磁盘( (TB)TB)磁带磁带( (TBTB) )网络网络( (MbpsMbps) )美国美国8383169169607607622622法国法国50050060060010001000意大利意大利24024020020040040025002500英国英国20820821621612001200B SectorB SectorBELLEBELLE L L6.26.2fbfb
18、-1-1Sin(2Sin(2 1 1) ) （No J/No J/ K KL L ) ) （J/J/ K KL L）数据获取和触发系统数据获取和触发系统大容量数据通道，事例长度大容量数据通道，事例长度 10 106 6 bytesbytesAverage sub-detector event size at nominal luminosity of Average sub-detector event size at nominal luminosity of 10103434cmcm-2-2s s-1-1Sub-detectorSub-detectorNo. channelsNo. cha
19、nnelsOccupancy %Occupancy %Event size (kByete)Event size (kByete)PixelPixel80 000 00080 000 0000.010.01100100Inner TrackerInner Tracker16 000 00016 000 0003 3700700Preshower Preshower 512 000512 0001010100100Calorimeters Calorimeters 250 000250 00010105050Muons Muons 1 000 0001 000 0000.10.11010Trigger Trigger 10 00010 0001001001010
