西欧核子研究中心的物理实验

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1、加速器产生带电粒子束后，可以让它打固定靶的原子，或与来自相反方向同样的束流发生对撞。在这两种情况下，都产生大量的新粒子。物理学家们利用探测器对每个粒子进行计数，跟踪和描述其特征，研究许多可能的相互作用过程。这些物理学家们有理论、有信念、有思想，通过实验证明其是正确的还是错误的。西欧中心的实验有三方面的特点：一是科学目标，即想发现什么；二是实验装置，即所使用的探测器；三是国际合作。　　西欧中心的物理实验主要分为两类：固定靶实验和对撞实验。　　固定靶实验研究粒子束与靶原子对撞后发生了什么。靶反冲中用去多数的束流能量，只剩

2、下少部分能量创造新的粒子。在固定靶实验中，所产生的粒子一般都向前飞行，所以实验通常都用锥型探测器，放在光束线的下游。　　对撞实验研究两个按相反方向运动的粒子束发生的对撞。这样，就没有浪费反冲能量，所有的能量都可用来产生新的粒子。在这些事例中，新产生的粒子从对撞点向所有方向辐射，所以探测器是球型，或是更常见的圆柱型。　　固定靶实验　　在PS（右图1）、SPS（右图2）和AD（右图3AD高频腔）加速器上运行的几个固定靶实验如下：　　　　　　　　　　　　　　ISOLDE　　（在线同位素质量分离器）是一个独特的低能不稳定放射

3、性同位素源，位于质子同步加速器增强器SPS。不稳定放射性同位素是有许多质子或中子的原子核，对它们的研究可使科学家们改进原子核的模型，其应用范围涉及天体物理到工业和医学。（左图为ISOLDE设备布局）　　在AD（反物质减速器）上，科学家们试图把一个个反物质组合在一起，而在质子同步加速器PS上，其它的科学家则集中精确测量特殊原子和粒子的非常特别的特性。 　　AD实验包括：　　　　反氢原子的产生和光谱学　　ATHENA实验采用完全不同的方法产生反氢原子。其思路是在低能—主要是在静止时产生反氢原子，以便研究它们的特性。西欧中

4、心建反质子减速器的目的在于得到反质子（这些反质子是在高能对撞中产生的），并将它们降速到更便于运用的能量。　　ATHENA装置将来自反质子减速器的反质子加以减速、冷却和捕获。反质子在称为彭宁（Penning）陷阱的电磁“瓶”高真空中被捕获，同时来自放射性源的正电子累积在另一个陷阱里，两群带电粒子（约1万反质子，7千万正电子）混合在一起产生反氢原子。所有这一切都是在绝对零上15度的低温环境里发生的。　　形成的反氢原子从电磁陷阱中逃逸出来，因为它们不带净电荷。然后它们湮灭，被一个特制的探测器探测到。反氢原子在该探测器中产生

5、一个具有非常特征的湮灭信号，使研究人员可以对反氢原子的产生加以确认。到目前为止，ATHENA已直接探测到131±22反氢原子。这意味着该装置实际上产生了5万个反氢原子，因为多数逃脱了探测。ATHENA下一步要测量反氢原子光谱，并与氢原子加以比较。这两个光谱的任何差别都需要对目前的物质与反物质模型进行根本改变。　　ATHENA取得的结果是反物质科学的一个重要里程碑，打开了人们期望将原子捕获、冷却和处理的现代技术应用到原子反物质领域的大门。检验重力影响下的反物质行为也是未来有趣的课题。　　ATRAP　　1986-1999

6、年期间，TRAP合作组，自此改名为反氢原子捕获合作组（ATRAPCOLLABORATION）开发出对反质子加以减速、捕获和进行电子冷却的反质子。反氢原子捕获合作组在能够累积大量的冷反质子之前，只有接近光速运动的高速反质子可以进行研究。ATRAP利用TRAP的技术制造冷反氢原子。反质子被减速、冷却。最后在4.2K热平衡中储存起来。4.2K为平均能量，比以前的反质子能量低100亿倍。　　单个反质子数月长的禁闭，背景压力低于5×10-17托和对来自单个被捕获的反质子的无线电信号的无损伤探测可以说明，反质子与质子的质荷差小于

7、9/1011，该比较值比以前的精确了将近100万倍。使冷反质子减速、冷却和对其储存的技术，使ATRAP合作组及其竞争者可以生产冷到精确激光光谱学足以捕获的反氢原子。（左图为第一个反氢原子陷阱）　　所有初期在西欧中心搞的冷反质子实验都是在其低能反质子环（LEAR）上进行的，该独特的设备后来关闭。2000年和以后的反氢原子实验，均在专门为此建造的反质子降速环上进行。利用TRAP开发出来的技术，反质子将在陷阱中而不是在储存环中累积，从而降低了西欧中心的运行费用。　　ASACUSA 　　是低能反质子环开展反质子氦研究的派生项

8、目。1990年，在KEK工作的日本一个小组表明，反质子停在氦靶中形成所有的镤电子原子的3%存活几微秒，然后反质子才陷入原子核中湮灭。这一亚稳定性与期望的完全相反，明显与电子的屏蔽效应的存在相连。为防止原子受靶中正常氦原子对撞损伤效应的影响，电子给其提供了保险。反质子的主量子数n和角动量量子数l大约都是40，因此，其原子中的德布罗意波长比n=1电