美國(guó)最大的高能物理研究實(shí)驗(yàn)室 / 大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施
高能物理前沿和相關(guān)科學(xué)研究 / 帶動(dòng)新技術(shù)發(fā)展 / 豐碩成果 / 獲獎(jiǎng)

一、美國(guó)最大的高能物理研究實(shí)驗(yàn)室

美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室原名為國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（National Accelerator Laboratory），根據(jù)美國(guó)總統(tǒng)林頓·約翰遜1967年11月21日簽署的法案建立，由當(dāng)時(shí)的美國(guó)原子能委員會(huì)AEC負(fù)責(zé)管理。創(chuàng)建該所的R·威爾遜（Robert R.Wilson）所長(zhǎng)為該所建立的嚴(yán)格原則是：杰出的科學(xué)、藝術(shù)的瑰麗、土地的守護(hù)神、經(jīng)費(fèi)上精打細(xì)算和機(jī)會(huì)均等。

美國(guó)原子能委員會(huì)AEC從200多個(gè)建議中，選擇美國(guó)中部伊利諾伊州芝加哥市以西30英里處韋斯頓（Weston）的巴達(dá)維亞（Batavia）作為費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)地點(diǎn)。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室所占6800英畝的場(chǎng)地原為農(nóng)田，原有的一些谷倉(cāng)至今仍在使用，有的用作倉(cāng)庫(kù)，有的用于社交活動(dòng)。

1974年，美國(guó)國(guó)會(huì)撤銷原子能委員會(huì)AEC，成立了核管理委員會(huì)NRC與能源研究與開發(fā)局ERDA。1977年，美國(guó)國(guó)會(huì)組建了能源部DOE，ERDA并入DOE。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室歸屬DOE，由美國(guó)大學(xué)研究協(xié)會(huì)URA（Universities Research Association）負(fù)責(zé)運(yùn)作。

1974年5月11日，該實(shí)驗(yàn)室被命名為費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermi National Accelerator Laboratory，F(xiàn)NAL），簡(jiǎn)稱費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室（Fermilab）。E·費(fèi)米（Enrico Fermi，1901-1954）是原子時(shí)代卓越的物理學(xué)家，1938年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他發(fā)現(xiàn)新的放射性物質(zhì)和發(fā)現(xiàn)慢中子的選擇能力。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室鳥瞰

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室是美國(guó)最大的高能物理研究實(shí)驗(yàn)室，在世界上僅次于歐洲核子研究中心CERN。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)是探索自然界最微小的部分——存在于原子中的世界，了解宇宙是如何形成和運(yùn)轉(zhuǎn)的，提高人類對(duì)物質(zhì)和能量的基本屬性的理解。

為開展高能物理的前沿和相關(guān)學(xué)科的研究，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室建造和運(yùn)行高能物理學(xué)家需要進(jìn)行前沿研究的設(shè)施，并為未來(lái)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)新的加速器技術(shù)。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室擁有2100多名雇員，年度預(yù)算為3.07億美元。

來(lái)自美國(guó)和世界各地的高校和實(shí)驗(yàn)室約2500個(gè)科研用戶在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室開展它們的研究。幾十年來(lái)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室獲得了多項(xiàng)研究成果，并帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室位置示意圖（圖片來(lái)自Google）

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的威爾遜樓和湖泊

二、大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施

高能物理研究的主要工具是加速器，特別是對(duì)撞機(jī)，讓反向旋轉(zhuǎn)的粒子束流在對(duì)撞機(jī)中對(duì)撞。在美國(guó)，最高能量的對(duì)撞機(jī)就是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)億電子伏特加速器Tevatron，在歐洲核子中心CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC建成之前，Tevatron是世界上最大的加速器。由于實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)，高能物理學(xué)家們要進(jìn)行研究，必須與像費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室這樣大的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合作。

1、萬(wàn)億電子伏特加速器Tevatron

Tevatron是世界上最強(qiáng)大的質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，它將質(zhì)子和反質(zhì)子束流沿著4英里的周長(zhǎng)加速到光束的99.99999954％。這兩個(gè)束流在位于束流管道兩個(gè)不同位置的2個(gè)5000噸的探測(cè)器（CDF、D0）中心對(duì)撞，以研究宇宙早期的情形，探查物質(zhì)在最小尺度的結(jié)構(gòu)；束流還引入到固定靶產(chǎn)生中微子束流用來(lái)開展研究。

萬(wàn)億電子伏特加速器Tevatron示意圖　 Tevatron隧道

Tevatron位于地面25英尺以下。在該加速器內(nèi)，粒子束流穿過(guò)一個(gè)大部分由超導(dǎo)磁鐵環(huán)繞的真空管道。各類磁鐵的組合使束流按大的圓形彎轉(zhuǎn)。Tevatron共有1000多塊超導(dǎo)磁鐵。超導(dǎo)磁鐵比常規(guī)磁鐵產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)，工作在華氏－450度，磁鐵內(nèi)的電纜沒(méi)有電阻，傳導(dǎo)大量的電流。特大的磁力可將粒子加速到更高的能量。

Tevatron主控制室

（1）加速器鏈

Tevatron由多級(jí)加速器組成：750keV的預(yù)注入器、200MeV的直線加速器、8GeV的增強(qiáng)器和500GeV的主加速器。

Tevatron的加速器鏈

預(yù)注入器：預(yù)注入器也叫高壓倍加器，是用來(lái)產(chǎn)生質(zhì)子束流的低能強(qiáng)流加速器。質(zhì)子從這里開始加速，把從離子源中引出的負(fù)氫離子加速到750keV。

預(yù)注入器

直線加速器：直線加速器是產(chǎn)生帶負(fù)電的氫離子是產(chǎn)生質(zhì)子和反質(zhì)子束流的第一步。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的第一個(gè)直線加速器建于1971年，最初加速粒子高達(dá)200 MeV。1993年進(jìn)行了升級(jí)，由9個(gè)加速節(jié)組成，長(zhǎng)約500英尺，可將預(yù)注入器中產(chǎn)生的帶負(fù)電的離子加速到400 MeV，或大約光束的70％。束流從直線加速器出來(lái)，經(jīng)中能輸運(yùn)段進(jìn)入增強(qiáng)器。

增強(qiáng)器：位于地下約20英尺的增強(qiáng)器是一個(gè)環(huán)型加速器，進(jìn)入增強(qiáng)器的離子要穿過(guò)碳箔，碳箔從氫離子中去掉電子，產(chǎn)生帶正電子的質(zhì)子。增強(qiáng)器利用磁鐵使質(zhì)子束流在圓形軌道中彎轉(zhuǎn)，圍繞增強(qiáng)器運(yùn)行20000次。每一圈中它們都在高頻腔中經(jīng)歷一個(gè)來(lái)自電場(chǎng)的加速力，這使得到加速周期結(jié)束時(shí)將質(zhì)子的能量加速到8GeV，然后引出束流向主加速器注入。

增強(qiáng)器

主注入器：主注入器1999年竣工，有以下功能：（1）將質(zhì)子從8 GeV加速到150 GeV；（2）產(chǎn)生120 GeV質(zhì)子，用于反質(zhì)子的產(chǎn)生；（3）從反質(zhì)子源接收反質(zhì)子并把它們的能量提高到150 GeV；（4）將質(zhì)子和反質(zhì)子注入Tevatron。

主注入器（下部）與返航器（上部）

反質(zhì)子源：為產(chǎn)生反質(zhì)子，主注入器把120 GeV的質(zhì)子送到反質(zhì)子源，質(zhì)子與鎳靶對(duì)撞，產(chǎn)生范圍很廣的次級(jí)粒子，包括許多反質(zhì)子。反質(zhì)子被收集，聚焦后存在儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)，并對(duì)它們進(jìn)行累積和冷卻。當(dāng)產(chǎn)生足夠數(shù)量的反質(zhì)子后，它們被送到返航器再進(jìn)行冷卻和累積，然后注入Tevatron。

反質(zhì)子源

Tevatron：接收從主注入器來(lái)的150 GeV的質(zhì)子與反質(zhì)子，并將其幾乎加速到1000 GeV。質(zhì)子與反質(zhì)子按相反的方向在Tevatron里運(yùn)轉(zhuǎn)，速度每小時(shí)僅比光速慢200英里。質(zhì)子與反質(zhì)子束流在Tevatron隧道中的CDF和D0探測(cè)器的中心部分發(fā)生對(duì)撞，爆發(fā)式地產(chǎn)生新粒子。

Tevatron隧道

（2）探測(cè)裝置

固定靶：

三條光束線將質(zhì)子從主注入器傳送到中微子靶。這個(gè)區(qū)域的束流也測(cè)試探測(cè)器，并進(jìn)行不涉及中微子的固定靶實(shí)驗(yàn)。將各種材料的樣品放入光束線中，研究各種類型的粒子和它們的相互作用。利用這些裝置，物理學(xué)家們?cè)?977年6月30日發(fā)現(xiàn)底夸克和2000年Donut實(shí)驗(yàn)探測(cè)到t中微子。

固定靶實(shí)驗(yàn)區(qū)域

固定靶實(shí)驗(yàn)示意圖

CDF與D0探測(cè)器：

CDF與D0探測(cè)器是物理學(xué)家們?cè)赥evatron上用來(lái)觀測(cè)質(zhì)子和反質(zhì)子之間對(duì)撞的兩個(gè)探測(cè)器。探測(cè)器大如三層樓房，每個(gè)探測(cè)器都有許多探測(cè)分系統(tǒng)，這些分系統(tǒng)識(shí)別來(lái)自幾乎在光速發(fā)生對(duì)撞所產(chǎn)生的不同類型的粒子。通過(guò)分析這些“碎片”，探究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、空間和時(shí)間。質(zhì)子反質(zhì)子在CDF和Do探測(cè)器中心每秒發(fā)生200多萬(wàn)次的對(duì)撞，產(chǎn)生大量的新粒子。對(duì)于有趣的事例，探測(cè)器記錄每個(gè)粒子的飛行軌道、能量、動(dòng)量和電荷。物理學(xué)家們倒班工作，一天24小時(shí)地監(jiān)測(cè)探測(cè)器的運(yùn)行情況。

CDF與D0探測(cè)器位置示意圖

CDF探測(cè)器　 D0探測(cè)器

建設(shè)歷程

1968年12月1日，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的直線加速器破土動(dòng)工；1969年10月3日主環(huán)（200 GeV的質(zhì)子加速器）破土動(dòng)工。1972年3月1日第一個(gè)能量為200 GeV的束流通過(guò)主環(huán)，使費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生了世界上最高能量的粒子。1972年12月14日主環(huán)能量倍增到400 GeV。1978年，為進(jìn)一步提高粒子的能量，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室決定建造體積更大、功能更強(qiáng)的大型對(duì)撞機(jī)，先集中技術(shù)力量，將主環(huán)的能量提高至1兆電子伏特。1981年，主環(huán)創(chuàng)造400 GeV時(shí)3 x1013 質(zhì)子/脈沖的世界紀(jì)錄。1983年7月，產(chǎn)生了世界上第一個(gè)能量為512 GeV的束流（當(dāng)時(shí)命名為能量倍增器Energy Doubler）。

1983年8月16日，反質(zhì)子源破土動(dòng)工，準(zhǔn)備耗資1.2億美元建造世界上能量最高的粒子加速器——質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)Tevatron。Tevatron的1000塊超導(dǎo)磁鐵由液氦冷卻，使溫度達(dá)到攝氏零下268度，其低溫冷卻系統(tǒng)為當(dāng)時(shí)加速器歷史上最大的低溫系統(tǒng)。

1984年2月，能量倍增器產(chǎn)生了第一個(gè)能量為800 GeV的束流。1985年10月13日，CDF探測(cè)器在質(zhì)心能量1.6 TeV時(shí)首次觀測(cè)到質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)撞。1986年10月20日能量倍增器產(chǎn)生第一個(gè)能量為900 GeV的束流。Tevatron成為世界最高能量的質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。

1992年，D0探測(cè)器開始調(diào)試。為增加質(zhì)子反質(zhì)子的對(duì)撞次數(shù)Tevatron開始第一次升級(jí)改造，稱為Tevatron-II，在原2公里隧道外新建一個(gè)能量為150 GeV的常規(guī)磁鐵環(huán)作為新的注入器，亮度提高10倍。目標(biāo)是尋找希格斯粒子，如果理論學(xué)家的預(yù)言是正確的，那么這將有助于解釋為什么宇宙中的萬(wàn)物都有質(zhì)量。

1993年5月22日主注入器加速器破土動(dòng)工。1993年9月4日，新的400 MeV直線加速器調(diào)試完成。1995年，創(chuàng)造了高能質(zhì)子反質(zhì)子粒子對(duì)撞次數(shù)的世界紀(jì)錄。

1996年，Tevatron第一次升級(jí)改造完成，向CDF和D0發(fā)送180 pb-1，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了反氫原子。1997年，為固定靶實(shí)驗(yàn)2.86E13發(fā)送創(chuàng)記錄的流強(qiáng)800 GeV 束流；主環(huán)加速器關(guān)閉并進(jìn)行拆除。

1999年，主注入器落成。2000年，固定靶項(xiàng)目結(jié)束，為43個(gè)實(shí)驗(yàn)提供束流。大型探測(cè)器CDF和DO進(jìn)行了改進(jìn)，為新的重大發(fā)現(xiàn)和開展新的物理工作奠定基礎(chǔ)。

2001年，Tevatron第二次升級(jí)開始。2004年，加速器的峰值亮度達(dá)到1X1032cm-2s-1。2005年，積分亮度達(dá)到1fb-1；首次在再循環(huán)環(huán)中觀測(cè)到電子冷卻反質(zhì)子。2006年，反質(zhì)子源聚積率首次超過(guò)20mA/小時(shí)。2008年峰值亮度超過(guò)3X1032cm-2s-1；在單個(gè)一周內(nèi)發(fā)送50pb-1。

2011年1月11日，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布Tevatron將于2011年9月關(guān)閉。

2、超大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室正在分兩個(gè)階段進(jìn)行超大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的設(shè)計(jì)研究。第一個(gè)階段，利用放在大周長(zhǎng)隧道中的堅(jiān)固超鐵氧體磁鐵，該對(duì)撞機(jī)的對(duì)撞能量達(dá)到40 TeV，亮度與西歐中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC的亮度一樣。第一階段的潛在科學(xué)目標(biāo)完全實(shí)現(xiàn)后開始第二階段的工作。在同一隧道中安裝上高磁場(chǎng)磁鐵，對(duì)撞能量至少達(dá)到175 TeV。

VLHC低磁場(chǎng)測(cè)試

為達(dá)到所需能量，第一個(gè)階段所用的低場(chǎng)磁鐵需要233公里長(zhǎng)的隧道。雖然建造這樣長(zhǎng)的隧道面臨工程量大、管理和公眾接受的挑戰(zhàn)，在技術(shù)上似乎沒(méi)有什么不可能在大約6年時(shí)間里建成的理由，以便開始建造10年后對(duì)機(jī)器進(jìn)行調(diào)試。磁鐵簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的固有特性大大減少了支撐子系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性：低溫負(fù)載與現(xiàn)在的Tevatron相同；優(yōu)良的注入場(chǎng)品質(zhì)導(dǎo)致好的動(dòng)態(tài)孔徑及磁場(chǎng)中低的電感和存儲(chǔ)的低能大大簡(jiǎn)化了電源系統(tǒng)。所有這些因數(shù)加在一起，降低了技術(shù)部件的造價(jià)和復(fù)雜性，彌補(bǔ)了建造長(zhǎng)隧道所需要的費(fèi)用。據(jù)估計(jì)，該對(duì)撞機(jī)的總造價(jià)與最近剛對(duì)TESLA設(shè)計(jì)中的500 GeV的直線電子對(duì)撞機(jī)的估算造價(jià)相同。

3、μ子對(duì)撞機(jī)

μ子對(duì)撞機(jī)

 

μ子對(duì)撞機(jī)示意圖

μ子對(duì)撞機(jī)整套裝置包括幾臺(tái)機(jī)器和許多不同的部件。為產(chǎn)生大量μ介子，利用強(qiáng)流質(zhì)子加速器將質(zhì)子引入靶。對(duì)撞產(chǎn)生稱為p介子的短壽命粒子。在50米內(nèi)，p介子衰變成為μ介子和稱為中微子的中性粒子。μ介子的能量約為200 MeV。

磁鐵使μ介子進(jìn)入和通過(guò)一組高頻腔。腔內(nèi)的電場(chǎng)提高慢繆介子的能量，降低快μ介子的能量，從而減少它們的能散度，使連續(xù)μ介子流轉(zhuǎn)換成為單個(gè)束團(tuán)。在這一階段，μ介子束團(tuán)的尺寸仍然很大，當(dāng)μ介子向稍微不同的方向運(yùn)行時(shí)，束流仍然發(fā)散。

科學(xué)家正在開發(fā)電離散熱通道，以減少μ介子束的橫向尺寸。這些渠道減少粒子的橫向速度和產(chǎn)生非常亮的聚焦束流，隨時(shí)被加速到很高的能量。

高頻腔是一個(gè)將μ介子加速到高能量的快速有效方法。每個(gè)腔形似拉成一條直線的珍珠項(xiàng)鏈。穿過(guò)這串珍珠或單元，是一個(gè)在正負(fù)之間振蕩的電場(chǎng)。該振蕩定時(shí)從單元到單元推拉帶電粒子。

一旦μ介子達(dá)到它們的最終能量，它們便被注入到μ子對(duì)撞機(jī)。帶正電荷的介子按一個(gè)方向穿過(guò)對(duì)撞機(jī)環(huán)，帶負(fù)電荷的μ介子按相反方向運(yùn)行。磁鐵將粒子引到位于大型對(duì)撞探測(cè)器中心的對(duì)撞點(diǎn)。沒(méi)有對(duì)撞的μ介子繼續(xù)沿環(huán)運(yùn)行，并在一轉(zhuǎn)眼的功夫返回到碰撞點(diǎn)。

4、開創(chuàng)性加速器試驗(yàn)裝置

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室正在利用通過(guò)美國(guó)復(fù)蘇與再投資法案得到的5270萬(wàn)美元的資金推進(jìn)其超導(dǎo)高頻研發(fā)項(xiàng)目，包括建造超導(dǎo)高頻加速器試驗(yàn)裝置。建造的I期工程始于2010年3月，用280億美元擴(kuò)建現(xiàn)有的建筑。II期工程投入420億美元，用于建造兩個(gè)新的建筑物。通過(guò)美國(guó)復(fù)蘇與再投資法案得到的另外的資金用于運(yùn)行建筑所需要的設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室利用這一裝置測(cè)試超導(dǎo)高頻部件和驗(yàn)證美國(guó)工業(yè)界賣方的加工能力。開創(chuàng)性試驗(yàn)裝置的II期工程已經(jīng)開始，以推進(jìn)對(duì)下一代粒子加速器至關(guān)重要的技術(shù)。

開創(chuàng)性加速器試驗(yàn)裝置占用三個(gè)建筑物，有一個(gè)460英尺長(zhǎng)的試驗(yàn)加速器

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃參與采用超導(dǎo)高頻技術(shù)的加速器建造。建造這個(gè)新的超導(dǎo)高頻試驗(yàn)裝置是向前邁出的重要一步。這些結(jié)構(gòu)在稱為低溫模塊的罐內(nèi)運(yùn)行，使腔冷卻到華氏-456度，可在零電阻情況下傳導(dǎo)電流。計(jì)劃利用這一裝置來(lái)測(cè)試為所提出的兩個(gè)未來(lái)粒子加速器而設(shè)計(jì)的低溫模塊。科學(xué)家還將利用粒子束加速器產(chǎn)生的粒子束流，開發(fā)和設(shè)計(jì)更好的工具和先進(jìn)的加速器技術(shù)，使它們?cè)谠S多領(lǐng)域，包括醫(yī)學(xué)和工業(yè)得到應(yīng)用。

5、加速器國(guó)際合作項(xiàng)目

（1）LHC加速器項(xiàng)目

1997年美國(guó)和歐洲官員簽署美國(guó)參加大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的協(xié)議，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和加工二分之一的MQX內(nèi)超導(dǎo)三透鏡組，設(shè)計(jì)和最后安裝所有MQX磁鐵，有關(guān)的校正磁鐵和吸收體，并將儀器安裝在低溫恒溫箱中。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的任務(wù)包括加速器物理計(jì)算，借以支持內(nèi)三透鏡組的設(shè)計(jì)，對(duì)這些磁鐵的最終技術(shù)要求及系統(tǒng)集成提供意見(jiàn)。

為L(zhǎng)HC制造的超導(dǎo)磁鐵

（2）直線對(duì)撞機(jī)

美國(guó)SLAC，日本KEK和德國(guó)DESY都在開展未來(lái)直線對(duì)撞機(jī)的研究。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室系SLAC的NLC和德國(guó)DESY的TESLA合作組的成員。2000年TESLA國(guó)際合作組向德國(guó)政府報(bào)告了TESLA設(shè)計(jì)報(bào)告，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)一組美國(guó)實(shí)驗(yàn)室對(duì)設(shè)計(jì)報(bào)告的費(fèi)用基礎(chǔ)進(jìn)行了分析。2001年NLC合作組對(duì)原理上主直線加速器高頻回路所需基本部件進(jìn)行了論證。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)加工高頻結(jié)構(gòu)及領(lǐng)導(dǎo)支撐主直線加速器高頻結(jié)構(gòu)的支架預(yù)制研究。它從事整個(gè)直線對(duì)撞機(jī)中可采用的可調(diào)永久磁鐵預(yù)制研究工作，還在土建和束流物理方面提供專門知識(shí)，是美國(guó)大力推動(dòng)的在加速器方面開展直線對(duì)撞機(jī)預(yù)制研究的中心之一。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室對(duì)撞機(jī)物理組的任務(wù)是：對(duì)直線對(duì)撞機(jī)物理及其所需直線對(duì)撞機(jī)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，弄清在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)時(shí)代直線對(duì)撞機(jī)對(duì)世界高能物理的貢獻(xiàn)。

三、高能物理前沿和相關(guān)科學(xué)研究

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的研究集中在當(dāng)代粒子物理以下幾個(gè)主要問(wèn)題上：為什么粒子具有質(zhì)量；中微子質(zhì)量是否來(lái)自不同的源；夸克與輕子的真正本質(zhì)是什么；為何有三代基本粒子；真正意義上的基本的力是什么；如何將粒子物理和量子引力融合在一起；物質(zhì)與反物質(zhì)有何區(qū)別；把宇宙組合在一起的暗物質(zhì)是什么；什么是促使宇宙膨脹的暗能量；在已知道的維數(shù)之外，是否還有隱藏的維數(shù)；地球是多維廣義宇宙的一部分嗎；宇宙是由什么組成的及宇宙是如何運(yùn)作的？

未來(lái)幾年在粒子物理上的發(fā)現(xiàn)將改變粒子物理的研究方向，而這些發(fā)現(xiàn)的最佳機(jī)遇則可能存在于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室所開展的以下實(shí)驗(yàn)中：

1、高能物理實(shí)驗(yàn)

（1）CDF實(shí)驗(yàn)

Tevatron將質(zhì)子和反質(zhì)子加速到接近光速，然后讓它們?cè)贑DF探測(cè)器中發(fā)生對(duì)撞。CDF探測(cè)器被用來(lái)研究質(zhì)子與反質(zhì)子發(fā)生對(duì)撞的產(chǎn)物。這樣做旨在試圖重建對(duì)撞中所發(fā)生的現(xiàn)象，最終了解物質(zhì)是怎樣組合在一起的，自然界利用什么力創(chuàng)造了我們周圍的世界。

1985年10月13日，在質(zhì)心能量1.6 TeV時(shí)首次觀測(cè)到質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)撞。

1994年4月26日，找到了頂夸克存在的直接證據(jù)。

1995年3月，CDF組和D0組在176 GeV的能量上發(fā)現(xiàn)了頂夸克，如此大的質(zhì)量，出乎物理學(xué)家的預(yù)料。

1998年3月，CDF組發(fā)現(xiàn)Bc介子。

2005年，發(fā)現(xiàn)Bs 物質(zhì)－反物質(zhì)振蕩：3萬(wàn)億次/秒；發(fā)現(xiàn) b重子（u-u-b和d-d-b）。

2007年，CDF宣布通過(guò)單個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)W波色子質(zhì)量的最精確測(cè)量結(jié)果。

2007年，發(fā)現(xiàn) b重子（d-s-b夸克組合）。

2008年發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生ZZ雙波色子。　

（2）D0實(shí)驗(yàn)

D0探測(cè)器是1983年提出建造的，1984年獲得批準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)8年設(shè)計(jì)、研究、硬件及軟件的建造與調(diào)試，于1992年5月12日第一次正式記錄正-反質(zhì)子相互作用，開始運(yùn)行取數(shù)。

D0探測(cè)器長(zhǎng)約19.8米，高和寬12.2米，重5500噸，超過(guò)12萬(wàn)道電子學(xué)信號(hào)。建造時(shí)由氣體徑跡室（頂點(diǎn)探測(cè)器、漂移室）、穿越輻射探測(cè)器、液Ar量能器、μ室、電子學(xué)及計(jì)算機(jī)軟件、環(huán)形磁鐵等組成，用以研究底夸克、量子色動(dòng)力學(xué)、新物理現(xiàn)象及頂夸克的尋找等。

1994年4月，CDF組表示已有頂夸克存在的證據(jù)，但取數(shù)較晚的D0組認(rèn)為尚未有足夠的證據(jù)。1995年2月24日，D0組和CDF組同時(shí)交出論文，宣布發(fā)現(xiàn)頂夸克。1995年3月2日下午1點(diǎn)，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室這兩大實(shí)驗(yàn)組舉行正式招待會(huì)，宣布頂夸克的發(fā)現(xiàn)。這是國(guó)際高能物理界的一件大事。

1995年3月8日，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室所長(zhǎng)John Peoples教授寫信給中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)，對(duì)高能物理所派往費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的人員在發(fā)現(xiàn)頂夸克中作出的貢獻(xiàn)表示感謝。信中寫到：“十五年來(lái)，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和高能物理所之間的合作一直很重要。3月2日，CDF組和D0組宣布發(fā)現(xiàn)了頂夸克，即我們尋找了很久的這組基本粒子中的最后一種。在報(bào)告這一發(fā)現(xiàn)的D0組中，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的科學(xué)家們有很突出的功勞?！?

高能物理所與費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室D0組的合作由1989年起最初的民間協(xié)作，后正式列入中美高能協(xié)作協(xié)議，高能物理所陸續(xù)派出30余人年參加了D0組的合作研究。主要參加了μ探測(cè)器的建造、蒙特卡洛計(jì)算、硅探測(cè)器、光纖徑跡室、在線程序、數(shù)據(jù)處理和部分物理分析工作。在D0組宣布發(fā)現(xiàn)頂夸克的文章中，高能物理所的8位訪問(wèn)學(xué)者參加了署名，列入了發(fā)現(xiàn)頂夸克的貢獻(xiàn)者名單之中。但遺憾的是，在這世界最前沿最重大的發(fā)現(xiàn)之中，沒(méi)能掛出中國(guó)國(guó)旗和亮出中國(guó)高能物理所的名稱，8個(gè)人只能列在美國(guó)FNAL名下。D0組一直希望與高能物理所的協(xié)作能前進(jìn)一步，成為有國(guó)名、所名的正式協(xié)作者。前提是，要有一定經(jīng)費(fèi)的支持，使其在國(guó)內(nèi)也能為D0作一定工作，并能有維持雙方學(xué)術(shù)交流所需的經(jīng)費(fèi)。1999年高能物理所D0合作組取得了最重要的進(jìn)展，得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持，成為D0國(guó)際合作組的正式參加國(guó)，國(guó)旗及所名已正式列入D0國(guó)際合作組。

D0探測(cè)器的改進(jìn)升級(jí)包括：硅條探測(cè)器、光纖徑跡室、超導(dǎo)磁鐵、μ前向探測(cè)器等高新探測(cè)器及技術(shù)將加入或替代探測(cè)器中舊的部分，2001年3月開始正式取數(shù)。新的D0探測(cè)器進(jìn)行頂夸克的進(jìn)一步研究、Higgs玻色子的尋找以及其它高能物理界的一些前沿課題研究。

D0組成為由來(lái)自15個(gè)國(guó)家、60個(gè)大學(xué)或研究所的500多名科學(xué)家和工程師組成的大型國(guó)際合作組。

2009年，D0組發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生單個(gè)頂夸克；D0組宣布W波色子質(zhì)量的最佳測(cè)量結(jié)果；發(fā)現(xiàn)新的夸克結(jié)構(gòu)，命名為Y（4140）?！?

（3）MINOS實(shí)驗(yàn)

主注入器中微子震蕩尋找MINOS（Main Injector Neutrino Oscillation Search）是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室NuMI中微子研究計(jì)劃中的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)。

NuMI計(jì)劃是利用費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室Tevatron對(duì)撞機(jī)120GeV的主注入器向360米外的靶發(fā)射質(zhì)子束流，靶上產(chǎn)生的次級(jí)p介子和K介子在飛行中衰變形成中微子束流。NuMI的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是COSMOS（Cosmological1y Significant Mass Oscillation Search），它安裝在中微子靶前方的一公里處，用核乳膠來(lái)探測(cè)μ中微子振蕩所產(chǎn)生的τ輕子。

MINOS的位置在中微子靶更前方的735公里——明尼蘇達(dá)州蘇丹（Soudan）礦井700米深的地下。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是在兩個(gè)點(diǎn)上對(duì)同一中微子束流的特性進(jìn)行對(duì)比，探測(cè)中微子是否已經(jīng)變成另外一種，也就是τ中微子。

MINOS實(shí)驗(yàn)又稱長(zhǎng)基線實(shí)驗(yàn)，利用費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室中微子主注入器工程建造的設(shè)備，尋找具有極小質(zhì)量被稱為中微子的存在的證據(jù)。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的主注入器作為MINOS實(shí)驗(yàn)的中微子源，實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)基線從這里開始，探測(cè)器放在735公里之外的明尼蘇達(dá)州北部原蘇丹鐵礦里。

參加MINOS實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家們對(duì)從費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室出來(lái)的中微子和到達(dá)蘇丹鐵礦中的探測(cè)器的中微子的特性進(jìn)行測(cè)量和比較。這兩個(gè)探測(cè)器中中微子相互作用的特點(diǎn)之別提供不同類型的中微子震蕩的證據(jù)，因此得出中微子質(zhì)量。

NuMI實(shí)驗(yàn)示意圖

蘇丹鐵礦已開采一個(gè)世紀(jì)之久，現(xiàn)在已成為一個(gè)旅游景點(diǎn)。礦洞上方的巖石對(duì)宇宙線起著屏蔽作用，只有中微子和少數(shù)能量很高的宇宙線μ子可以穿透到地下這一深度。1981年蘇丹礦井就已成為尋找質(zhì)子衰變的30噸重的探測(cè)器的安放地。多年以后，當(dāng)初的尋找質(zhì)子衰變的動(dòng)機(jī)也逐步擴(kuò)展到中微子物理，攔截外層空間的中微子或大氣中宇宙線相互作用所產(chǎn)生的中微子。1993年建成了1000噸的Soudan2探測(cè)器。

MINOS是由中、美、英、俄二十多個(gè)研究單位近200位科學(xué)家組成的大型國(guó)際合作項(xiàng)目。他們長(zhǎng)期從事中微子研究，并在從事中微子實(shí)驗(yàn)二十多年的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室利用已有的中微子束等實(shí)驗(yàn)條件加以改進(jìn)、組成這個(gè)新的實(shí)驗(yàn)。

1999年位于明尼蘇達(dá)州蘇丹的MINOS探測(cè)器破土動(dòng)工。MINOS探測(cè)器安裝在與Soudan2探測(cè)器相鄰的山洞中，總重10000噸、總長(zhǎng)50米，用厚4厘米、對(duì)徑8米正八邊形的磁化鐵吸收體板與交替擺放的徑跡室做成，能對(duì)μ子和強(qiáng)子以及中微子相互作用中產(chǎn)生的電磁簇射進(jìn)行很好的能量測(cè)量和模式辨認(rèn)。2003年，遠(yuǎn)處的MINOS探測(cè)器開始取帶宇宙線的數(shù)據(jù)，開始尋找低溫暗物質(zhì)。2005年第一個(gè)中子束流從費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)送到明尼蘇達(dá)。2006年MINOS組報(bào)告Dm2的第一次測(cè)量結(jié)果。

MINOS遠(yuǎn)程探測(cè)器

（4）MiniBooNE實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)通過(guò)尋找中微子震蕩來(lái)測(cè)量中微子質(zhì)量。中微子的質(zhì)量很重要，因?yàn)樗墒箍茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理。MiniBooNE實(shí)驗(yàn)可獲得的質(zhì)量，將增加對(duì)宇宙是如何演變的了解。

MiniBooNE位置圖

MiniBooNE實(shí)驗(yàn)于1998年獲得批準(zhǔn)。MiniBooNE探測(cè)器放在距離μ介子中微子生成點(diǎn)約500米的地方，其任務(wù)是尋找μ介子中微子產(chǎn)生的電子中微子。iniBooNE使用1個(gè)裝滿800噸超純度礦物油的直徑12米的罐形油箱，至今這些礦物油比水還清澈。油箱內(nèi)裝有一個(gè)由1280個(gè)8英寸光電倍增管組成的感光層，可探測(cè)到中微子與油箱內(nèi)的油分子碳原子核之間的碰撞情況，每年能記錄1百萬(wàn)個(gè)中微子事件。2002年11月探測(cè)到第一批束流感應(yīng)中微子事例。

2007年4月11日MiniBooNE實(shí)驗(yàn)公布了首次發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果解決了困擾中微子物理界10多年的難題，即20世紀(jì)90年代液體閃爍器中微子探測(cè)器（LSND）觀測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)提出的難題，那次觀測(cè)似乎同全球其它地區(qū)中微子實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果相矛盾。MiniBooNE實(shí)驗(yàn)最終確定：LSND的觀測(cè)結(jié)果不能歸因于簡(jiǎn)單的中微子擺動(dòng)效應(yīng)。所謂的中微子擺動(dòng)效應(yīng)是一種中微子轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，即一種類型的中微子轉(zhuǎn)變?yōu)閯e一種類型的中微子，然后又恢復(fù)為原來(lái)的類型。盡管MiniBooNE實(shí)驗(yàn)果斷排除了LSND觀測(cè)結(jié)果的解釋，但還有很多工作要做，需進(jìn)一步分析他們的數(shù)據(jù)。

2006年1月起，MiniBooNE利用反中微子光束采集數(shù)據(jù)，期待從這些新數(shù)據(jù)中得出更多的結(jié)果。

　

MiniBooNE探測(cè)器示意圖

MiniBooNE實(shí)驗(yàn)觀察到的中微子信號(hào)

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室最新的中微子實(shí)驗(yàn)稱為SciBooNE，它與MiniBooNE一樣安裝在中微子束流線上，但具有更精密的跟蹤能力。

SciBooNE示意圖

（5）MINERvA

MINERvA利用費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室NuMi光束線開展中微子散射實(shí)驗(yàn)，旨在測(cè)量低能中微子相互作用，支持中微子振蕩實(shí)驗(yàn)，還研究影響這些相互作用的核子和原子核的強(qiáng)動(dòng)力學(xué)。

MINERvA探測(cè)器

2010年3月，MINERvA完成和建造NuMi 近探測(cè)器大廳中的模塊。2010年秋，安裝最終的核靶，正在收集中微子核反中微子相互作用事例。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們非常激動(dòng)地朝著取得第一批成果努力著。

（6）BTeV實(shí)驗(yàn)

BTeV實(shí)驗(yàn)的目的在于向標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)CP破壞，b夸克和粲夸克態(tài)的混合和稀有衰變的解釋提出挑戰(zhàn)。幾十年來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)模型一直是基本粒子物理的理論。BTeV實(shí)驗(yàn)就是要尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果還會(huì)解釋與早期宇宙有關(guān)的現(xiàn)象，如為什么宇宙是由物質(zhì)而不是由反物質(zhì)組成的。參加這一國(guó)際合作的有來(lái)自6個(gè)國(guó)家30個(gè)單位的170名科學(xué)家，他們利用Tevatron質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)開展BTeV實(shí)驗(yàn)。2006年進(jìn)行設(shè)備安裝，2008年調(diào)試完畢，2009年開始取數(shù)據(jù)。

BTeV探測(cè)器布局

（7）CMS合作實(shí)驗(yàn)

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室是美方參加大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC上CMS實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作的牽頭單位。CMS有一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度4T的超導(dǎo)電磁鐵，長(zhǎng)13米，直徑為5.9米。CMS的徑跡探測(cè)器、電磁量能器和內(nèi)部強(qiáng)子量能器全都裝在超導(dǎo)螺線管內(nèi)。圍繞中央徑跡探測(cè)器的電磁部分將由鎢酸鉛晶體做成。強(qiáng)子量能器圍在外面，中央桶部?jī)?nèi)徑1.8米，端蓋厚1.8米，μ探測(cè)系統(tǒng)由桶部和端蓋兩部分組成。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室具體負(fù)責(zé)端蓋μ子系統(tǒng)和電磁量能器的設(shè)計(jì)、加工。　

CMS量能器

（8）CKM實(shí)驗(yàn)

CKM實(shí)驗(yàn)是在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室開展的一個(gè)固定靶實(shí)驗(yàn)，旨在測(cè)量稀有帶電K介子標(biāo)準(zhǔn)模型衰變K+→p+ n`n的分支比。

CKM探測(cè)器布局

2、天體物理實(shí)驗(yàn)

（1）皮埃爾·奧格宇宙線觀測(cè)站（Auger Observatory）

皮埃爾·奧格宇宙線觀測(cè)站（Pierre Auger Observatory）1999年在南半球阿根廷的Mendoza省建造，2008年建成。設(shè)計(jì)要求在北半球也建同樣的一個(gè)觀測(cè)站，就可觀測(cè)幾乎整個(gè)天體。如果宇宙源可由到達(dá)方向上的簇團(tuán)辨認(rèn)，那么該觀測(cè)站就能研究具有相同靈敏度的宇宙線源的特性，不管宇宙線源在天空何處。另一方面，如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)分離的源，幾乎均勻的全天覆蓋對(duì)確定宇宙線到達(dá)的方向是否為各向同性，或由難解的大尺度模式描述其特性極其重要。2007年該站宣布觀測(cè)到超高能不均勻分布。參與這一項(xiàng)目的有阿根廷、巴西、玻利維亞、墨西哥、美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、意大利、波蘭和越南等17個(gè)國(guó)家的250名科學(xué)家。

皮埃爾·奧格宇宙線觀測(cè)站示意圖

（2）尋找暗物質(zhì)（CDMS）的低溫實(shí)驗(yàn)

低溫暗物質(zhì)搜尋計(jì)劃CDMS（Cryogenic Dark Matter Search）最初在斯坦福大學(xué)校園內(nèi)一個(gè)隧道內(nèi)進(jìn)行。CDMSII安置在美國(guó)明尼蘇達(dá)州蘇丹礦井地下714米深處的一個(gè)極其敏感的探測(cè)器，從2003年開始利用低溫鍺和硅探測(cè)器來(lái)探測(cè)弱相互作用暗物質(zhì)。為了防止太空中其他各種粒子對(duì)探測(cè)器的干擾，礦洞起到屏蔽作用。當(dāng)暗物質(zhì)粒子擊中探測(cè)器中的一個(gè)原子核時(shí)，就會(huì)引起原子核擺動(dòng)。

CDMS研究組由來(lái)自18個(gè)研究所的研究人員組成，接受能源部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、加拿大和瑞士的國(guó)外資助局以及成員單位的資助。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室參加了此項(xiàng)研究。

安裝在低溫恒溫器中的CDMS探測(cè)器

CDMSII使用5組探測(cè)器，每組探測(cè)器包含著6個(gè)超純鍺或硅晶體，溫度處于零下233攝氏度，這些儀器通過(guò)尋找粒子碰撞鍺或硅晶體核釋放出的能量，探測(cè)暗物質(zhì)粒子。

2009年12月末，CDMS發(fā)表聲明稱，已經(jīng)捕獲到兩個(gè)暗物質(zhì)粒子擊中探測(cè)器中的原子核。因僅有兩個(gè)信號(hào)，還無(wú)法完全確定探測(cè)到的信號(hào)究竟是由暗物質(zhì)粒子還是由其他粒子引起的，得到的結(jié)果尚有待進(jìn)一步證實(shí)，但是它還是引起了科學(xué)界的轟動(dòng)。CDMS將繼續(xù)進(jìn)行他們的實(shí)驗(yàn)以期發(fā)現(xiàn)更多實(shí)質(zhì)性的信號(hào)。

為了增加探測(cè)的靈敏度，CDMS要升級(jí)為Super CDMS，比現(xiàn)在的探測(cè)器重3倍，而噪音水平更低。為了在尋找暗物質(zhì)的過(guò)程中盡量消除宇宙射線的干擾，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)也有可能會(huì)轉(zhuǎn)移到加拿大安大略省的SNOLAB地下2000米深處進(jìn)行。　

（3）芝加哥地下粒子物理觀測(cè)站（COUPP）

芝加哥地下粒子物理觀測(cè)站COUPP（Chicagoland Observatory for Underground Particle Physics）是在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室地下MINIOS近探測(cè)器大廳里的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱E961），以證明作為暗物質(zhì)探測(cè)器的一個(gè)30公升，60 公斤，重質(zhì)液體的室溫泡室性能。

COUPP實(shí)驗(yàn)的小泡室

（4）斯隆數(shù)字化尋天（SDSS）

斯隆數(shù)字化尋天SDSS（Sloan Digital Sky Survey）是系統(tǒng)地將整個(gè)天空的四分之一測(cè)繪出來(lái)，形成一個(gè)詳細(xì)的圖像，確定一億多個(gè)天體的位置和絕對(duì)亮度，還測(cè)量一百萬(wàn)個(gè)距地球最近星系的距離，通過(guò)比到現(xiàn)在所探測(cè)過(guò)的大100倍的體積，給出宇宙三度空間的圖像。它還記錄10萬(wàn)個(gè)已知最遙遠(yuǎn)的類新星距地球的距離，提供前所未有的物質(zhì)分布到宇宙可見(jiàn)邊緣的啟示。

SDSS系統(tǒng)地觀測(cè)很大部分的天空，尋天對(duì)天文學(xué)的研究，包括宇宙的大結(jié)構(gòu)、星系的起源及演變、暗物質(zhì)和發(fā)光物質(zhì)之間的關(guān)系、銀河系的結(jié)構(gòu)以及形成太陽(yáng)那樣星體的宇宙塵埃的特性和分布，將產(chǎn)生巨大影響。

1998年，SDSS觀測(cè)獲得第一個(gè)光。2000年4月13日，SDSS宣布觀測(cè)到距離地球270億光年的類星體。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們參與管理和分析大量的數(shù)據(jù)。這些天體物理方面的研究補(bǔ)充了費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室尋求了解宇宙結(jié)構(gòu)和演變方面的努力。

2005年二期工程開始，稱為SDSS-II。2006年，SDSS-II發(fā)現(xiàn)139個(gè)新型1a超新星。2007年，SDSS-II發(fā)表約2.87億個(gè)天體包括197個(gè)類型的1a超新星的圖象。2008年7月完成了觀測(cè)，包括3個(gè)補(bǔ)充項(xiàng)目。遺產(chǎn)巡天完成了原始的SDSS星圖，覆蓋半個(gè)北天天空，確定了數(shù)億個(gè)天體的位置、亮度以及顏色，并測(cè)量了100余萬(wàn)個(gè)星系和類星體的距離。SEGUE（斯隆銀河系探索擴(kuò)展）測(cè)繪了銀河系的結(jié)構(gòu)以及恒星組成。超新星巡天沿天赤道重復(fù)掃描一個(gè)條帶狀天區(qū)，以圖發(fā)現(xiàn)并測(cè)量超新星以及其他變?cè)矗剿饔钪娴募铀倥蛎?。這三項(xiàng)巡天都是用新墨西哥州阿帕奇角天文臺(tái)2.5米望遠(yuǎn)鏡上的專用設(shè)備完成的。

阿帕奇山頂天文臺(tái)的2.5米口徑望遠(yuǎn)鏡

SDSS的測(cè)光望遠(yuǎn)鏡

SDSS以及SDSS-II的資金由阿爾弗雷德·P·斯隆基金會(huì)及參與機(jī)構(gòu)提供，參與機(jī)構(gòu)包括美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、美國(guó)能源部、美國(guó)宇航局、日本文部科學(xué)省、馬克斯—普朗克學(xué)會(huì)，以及英國(guó)高等教育基金委員會(huì)。SDSS由參與機(jī)構(gòu)的天體物理研究聯(lián)盟管理，20多個(gè)參與機(jī)構(gòu)有美國(guó)自然歷史博物館、波茨坦天體物理研究所、巴塞爾大學(xué)、劍橋大學(xué)等，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)科學(xué)院（LAMOST）均為參與機(jī)構(gòu)。

（5）暗能量測(cè)量 (DES)

暗能量測(cè)量的目的是，通過(guò)高精度測(cè)量140億宇宙膨脹的歷史，查明加速宇宙的起源和幫助揭開暗能量的性質(zhì)。來(lái)自美國(guó)、巴西、西班牙、德國(guó)和英國(guó)23個(gè)科研機(jī)構(gòu)的120多名科學(xué)家正在進(jìn)行該項(xiàng)目的研究。該合作正在造一臺(tái)極為敏感的570萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)DECam，并將其安裝在智利安第斯山脈高處Cerro Tololo美洲天文臺(tái)的Blanco 4米的望遠(yuǎn)鏡上。2011年底開始，連續(xù)五年，DES將測(cè)量南部大片的天空到浩瀚無(wú)邊的距離，以提供這個(gè)最根本問(wèn)題的新的線索。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室DES合作組設(shè)計(jì)的DECam示意圖

3、未來(lái)的實(shí)驗(yàn)

（1）NOvA實(shí)驗(yàn)

科學(xué)家們認(rèn)為在宇宙演變中中微子起了主要作用，貢獻(xiàn)的質(zhì)量多如恒星和行星。NOvA實(shí)驗(yàn)研究中微子的奇怪特性，特別是中微子難以捉摸地轉(zhuǎn)換為電子中微子。

NOvA示意圖

NOvA實(shí)驗(yàn)使用兩個(gè)探測(cè)器：一個(gè)是在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的222噸的近端探測(cè)器，另一個(gè)是在美、加邊境南部明尼蘇達(dá)州的更大的一臺(tái)1萬(wàn)5千噸的遠(yuǎn)端探測(cè)器。這些探測(cè)器是由385000個(gè)擠壓成型的高反射PVC塑料單元組成，充滿閃爍液體。遠(yuǎn)探測(cè)器中的每個(gè)單元寬3.9厘米，深6.0厘米，長(zhǎng)15.5米。當(dāng)中微子擊中閃爍液體中的原子時(shí)，引起帶電粒子的爆發(fā)。當(dāng)這些粒子在探測(cè)器中停止移動(dòng)，它們的能量被用光纖連接的光探測(cè)器收集。根據(jù)光電探測(cè)器看到的光的圖案，科學(xué)家們能夠確定造成什么樣的中微子的相互作用以及它們的能量。該實(shí)驗(yàn)將在2013年開始取數(shù)據(jù)，2014年1月完成建設(shè)，計(jì)劃第一輪運(yùn)行6年。

NOvA遠(yuǎn)端探測(cè)器示意圖

（2）MicroBooNE 實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)將建造和運(yùn)行一個(gè)位于增強(qiáng)器中微子光束線中約100噸重的大型液氬時(shí)間投影室（LArTPC）。該實(shí)驗(yàn)測(cè)量低能中微子橫截面，研究由MiniBooNE實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)到的低能額外事例。探測(cè)器作為階段性項(xiàng)目，是建造大型千噸重（LArTPC）探測(cè)器的必要的一步。該實(shí)驗(yàn)于2007年10月向費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目顧問(wèn)委員會(huì)提出，2008年7月實(shí)驗(yàn)的第一階段獲得批準(zhǔn)。

MicroBooNE探測(cè)器示意圖

（3）長(zhǎng)基線中微子實(shí)驗(yàn)（LBNE）

中微子可能是找到對(duì)宇宙本質(zhì)最根本的一些問(wèn)題答案的關(guān)鍵。發(fā)現(xiàn)中微子有微小質(zhì)量打開了非常成功的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的第一個(gè)裂縫。物理標(biāo)準(zhǔn)模型假設(shè)這些神秘莫測(cè)的粒子根本就沒(méi)有質(zhì)量。

物理學(xué)家們認(rèn)為，中微子可以對(duì)一些令人費(fèi)解的標(biāo)準(zhǔn)模型未解決的問(wèn)題提供答案。特別是，它們之間的相互作用可以解釋為什么物質(zhì)豐富，而反物質(zhì)在宇宙中消失。

長(zhǎng)基線中微子實(shí)驗(yàn)旨在找出是否是這種情況。通過(guò)將世界上最高強(qiáng)度的中微子束流從費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)送1000多公里，直接通過(guò)地球到有史以來(lái)建造的最大的粒子探測(cè)器，來(lái)探索該中微子束流的相互作用和轉(zhuǎn)換。該探測(cè)器可安裝在所建議的位于南達(dá)科他州的地下深部科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室（DUSEL）。DUSEL將是世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室，并會(huì)屏蔽宇宙粒子對(duì)LBNE中微子探測(cè)器的影響。

LBNE示意圖

4、發(fā)展新技術(shù)

（1）項(xiàng)目X

項(xiàng)目X是所提出的一個(gè)強(qiáng)流質(zhì)子加速器聯(lián)合體，它可為各種物理項(xiàng)目提供束流，為各種實(shí)驗(yàn)提供不同的能量的粒子。質(zhì)子可以加速，以形成一個(gè)高強(qiáng)度的中微子束流，用于如NOvA和長(zhǎng)基線中微子振蕩實(shí)驗(yàn)這樣的中微子實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，項(xiàng)目X可以提供質(zhì)子給基于K介子和m介子的精確實(shí)驗(yàn)。其他應(yīng)用正在研究中。超導(dǎo)加速器將包含在設(shè)計(jì)上類似今后輕子對(duì)撞機(jī)的超導(dǎo)高頻部件。

（2）ILC超導(dǎo)高頻腔

對(duì)下一代粒子加速器和粒子物理未來(lái)來(lái)說(shuō)，超導(dǎo)高頻腔是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。

超導(dǎo)高頻腔能提高粒子加速器的束流能量水平，同時(shí)通過(guò)消除電阻最大限度地降低所有電力的使用。將來(lái)對(duì)宇宙起源和物質(zhì)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，包括所提國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)和X項(xiàng)目，這兩個(gè)項(xiàng)目費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室都希望能作為東道主，將需要先進(jìn)的超導(dǎo)高頻腔技術(shù)。

超導(dǎo)高頻技術(shù)是一種加速粒子束流的高效方式。它由超導(dǎo)金屬鈮組成單元，并像空心珍珠串在一起。這些單元以所有可能的方式進(jìn)行拋光，不帶一?；覊m或在形狀上沒(méi)有絲毫差別。幾個(gè)腔安放在被稱為超導(dǎo)加速單元的容器內(nèi)，超導(dǎo)加速單元在液態(tài)氦中進(jìn)行沖洗，并保持在超冷溫度下，這對(duì)它們的運(yùn)行和效率是關(guān)鍵。

研制中的超導(dǎo)高頻腔

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃采用超導(dǎo)高頻技術(shù)制造項(xiàng)目X加速器的部件。項(xiàng)目X的超導(dǎo)高頻腔設(shè)計(jì)類似于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試加速器和擬建的國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)所采用的超導(dǎo)高頻腔設(shè)計(jì)。

四、帶動(dòng)新技術(shù)發(fā)展

對(duì)知識(shí)的追求推動(dòng)著費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)研究。研究中所獲得的新的知識(shí)將對(duì)人類的生活方式產(chǎn)生深刻的影響。例如：如果100年前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電子，當(dāng)今的電子世界是完全不可能實(shí)現(xiàn)的。

1、核磁共振

近年來(lái)的磁共振成像技術(shù)來(lái)源于Tevatron超導(dǎo)磁鐵大開發(fā)。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)70年代建造Tevatron時(shí)首次研制出超導(dǎo)線和電纜組成的大功率磁鐵。為建造Tevatron，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室將超導(dǎo)、物理、工程、材料科學(xué)和加工方面的專家組合在一起。他們的合作使超導(dǎo)磁鐵技術(shù)在核磁共振成像產(chǎn)生的新的診斷能力方面充分發(fā)揮作用。新一代超導(dǎo)磁鐵會(huì)使物理學(xué)們擁有功率更大的加速器，以揭開宇宙最深的奧秘。新一代高磁場(chǎng)超導(dǎo)磁共振成像磁鐵將有助于揭開人體的奧秘。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的超導(dǎo)磁鐵

2、同步輻射

同步加速器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，帶電粒子沿切線方向釋放出電磁輻射，故而損失能量，該能量以光的形式釋放出來(lái)。在許多領(lǐng)域的應(yīng)用研究中，X射線是必不可少的工具，如生產(chǎn)集成電路，研究Lou Gehring疾病的基因和愛(ài)滋病病毒復(fù)制酶。

3、高能物理 – WWW的誕生地

最初，高能物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們將其作為與國(guó)外同事開展合作的工具，后來(lái)發(fā)展為應(yīng)用于全世界的WWW網(wǎng)。高能物理為現(xiàn)代技術(shù)做出了重要貢獻(xiàn)。

4、醫(yī)學(xué)應(yīng)用

1895年末發(fā)現(xiàn)X射線后，醫(yī)學(xué)家們開始用倫琴（Wilhelm Roentgen）新光治療無(wú)數(shù)疾病。到1896年1月，芝加哥的Emil Grubbe已治療兩個(gè)癌癥患者，論職業(yè)，他是一名電工和冶金學(xué)家。1931年，當(dāng)Ernest和John Lawrence用他們新建的回旋加速器產(chǎn)生的粒子束治療他們母親的癌癥時(shí)，他們正在試驗(yàn)其它形式的輻射。

粒子物理研究對(duì)計(jì)算機(jī)輔助層面X線照相術(shù)、磁共振成像、正電子斷層照相和癌癥治療做出了貢獻(xiàn)。在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家們利用美國(guó)國(guó)立癌癥研究院提供的經(jīng)費(fèi)開發(fā)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室直線加速器的用途，用中子束治療癌癥病人。25年來(lái)，有3000多位癌癥患者接受治療。1995年后，Provena Saint Joseph醫(yī)院負(fù)責(zé)管理在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的中西部中子治療研究所，治療來(lái)自全美國(guó)的癌癥患者。另外，在Loma Linda大學(xué)，每天有約100位病人接受費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室建造的同步加速器的治療。

五、豐碩成果

1、建成世界上最大的質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室成功地運(yùn)行了當(dāng)時(shí)世界上能量最高的粒子加速器和僅有的質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)Tevatron。來(lái)自美國(guó)和國(guó)外大學(xué)的粒子物理學(xué)家利用它開展高能物理研究。

2、加速器預(yù)制研究具有獨(dú)創(chuàng)性

國(guó)際上公認(rèn)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室在加速器預(yù)制研究方面具有創(chuàng)新性，這是發(fā)展更先進(jìn)的加速器理論的基礎(chǔ)。新的加速器理論會(huì)導(dǎo)致研制出新型加速器，以回答有關(guān)物質(zhì)、空間和時(shí)間色基本問(wèn)題。

3、超導(dǎo)磁鐵的研究、設(shè)計(jì)與開發(fā)

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室在成功開發(fā)超導(dǎo)磁鐵，提高質(zhì)子加速器能量所需的基本技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位。

4、探測(cè)器開發(fā)

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的CDF和D0探測(cè)器是當(dāng)時(shí)最大的粒子探測(cè)器。技術(shù)上的進(jìn)步，例如硅探測(cè)器等，使世界上最大的顯微鏡的性能得到改進(jìn)，以開展未來(lái)的實(shí)驗(yàn)。

5、高性能計(jì)算

為記錄和分析粒子物理中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室縮小了計(jì)算的限度，為美國(guó)下一代計(jì)算機(jī)地發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室被公認(rèn)為在處理大量數(shù)據(jù)方面具有經(jīng)驗(yàn)，首建并行計(jì)算機(jī)取得成功，并愿意嘗試在技術(shù)上具有風(fēng)險(xiǎn)的新方向。

6、醫(yī)用加速器

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室建造了癌癥治療中心使用的粒子加速器。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的直線加速器產(chǎn)生中子束流，供中西部中子治癌研究所使用。從1976年開始，共治療300多位癌癥患者。美國(guó)加州Loma Linda中子治療中心有一臺(tái)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室1988-1989年建造的質(zhì)子加速器，運(yùn)行的10年中，該中心共治療了6000位癌癥患者。

7、物理實(shí)驗(yàn)中的重大發(fā)現(xiàn)

1977年6月30日，宣布發(fā)現(xiàn)底夸克；

1994年4月26日，宣布頂夸克的第一個(gè)直接證據(jù)；

1995年3月3日，CDF和D0合作組的實(shí)驗(yàn)人員宣布發(fā)現(xiàn)頂夸克；

1996年11月18日，觀測(cè)到反氫原子；

1999年3月1日，在中性K介子中觀測(cè)到直接的CP破缺；

2000年4月13日，斯隆數(shù)字化巡天在紅移5.8觀測(cè)到最遙遠(yuǎn)的物體；

2000年7月20日，DONuT實(shí)驗(yàn)報(bào)告直接觀測(cè)到t中微子的第一個(gè)證據(jù)，從而開啟了物理研究的一個(gè)新時(shí)代；

2001年11月7日，NuTeV合作組報(bào)告Sinqw異乎尋常的高值為0.2277；

2005年7月9日，首次在再循環(huán)環(huán)中觀測(cè)到電子冷卻反質(zhì)子；

2006年1月12日，斯隆數(shù)字化巡天－II報(bào)告發(fā)現(xiàn)139個(gè)新型1a超新星；

2006年9月25日，發(fā)現(xiàn)Bs 物質(zhì)－反物質(zhì)振蕩: 3萬(wàn)億次/秒；

2006年10月23日，發(fā)現(xiàn) b重子（u-u-b和d-d-b）；

2007年1月7日，CDF宣布通過(guò)單個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)W波色子質(zhì)量的最精確測(cè)量結(jié)果；2007年6月，發(fā)現(xiàn) b重子（d-s-b夸克組合）；

2007年6月28日，SDSSII發(fā)表約2.87億個(gè)天體包括197個(gè)類型的1a超新星的圖象；

2007年11月8日，Pierre Auger天文臺(tái)觀測(cè)到超高能不均勻分布；

2008年3月30日，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生ZZ雙波色子；

2009年3月9日，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生單個(gè)頂夸克；

2009年3月11日，D0實(shí)驗(yàn)室組宣布W波色子質(zhì)量的最佳測(cè)量結(jié)果；

2009年3月18日，發(fā)現(xiàn)新的夸克結(jié)構(gòu)，命名為Y（4140）。

六、獲獎(jiǎng)

1、1973年Robert R. Wilson獲得國(guó)家科學(xué)獎(jiǎng)?wù)拢?

2、1986年Stanley Livingston獲得Enrico Fermi獎(jiǎng)；

3、1984年12月Robert R. Wilson獲得Enrico Fermi獎(jiǎng)；

4、1988年10月19日Leon Lederman為1988年諾貝爾物理獎(jiǎng)三個(gè)獲得者之一；

5、1989年10月18日Helen Edwards, Dick Lundy, Rich Orr和Alvin Tollestrup因在建造萬(wàn)億電子伏特加速器中的工作獲得國(guó)家技術(shù)獎(jiǎng)?wù)拢?

6、1992年6月Leon Lederman獲得Enrico Fermi獎(jiǎng)。

(中國(guó)科學(xué)院大科學(xué)裝置辦公室,資料來(lái)自http://www.fnal.gov/)