粒子探測緒論

粒子探測技術主講：汪曉蓮電話：3601178

輔導：達紅玉崔相利近代物理樓307、312高能物理實驗室2008年9月8日2/1/20231中國科大汪曉蓮本課主要內容與特點內容：以核物理與粒子物理實驗為背景，介紹各種探測器的基本概念和基礎知識，包括：微觀粒子與物質的相互作用和它們的探測原理，粒子探測器的統(tǒng)計性質和實驗據處理知識。介紹各種微觀粒子探測器：氣體探測器、半導體探測器、閃爍探測器、契倫柯夫探測器、氣體多絲室、各種徑跡探測器、粒子探測系統(tǒng)、各種磁譜儀（高能磁譜儀和重離子磁譜儀）等的基本結構、工作原理、主要特性、種類和應用。特點：技術性強、實踐性強理論與實驗結合2/1/20232中國科大汪曉蓮學習目的和意義培養(yǎng)掌握各種粒子探測技術的專門人才。了解掌握粒子與物質相互作用的物理過程和基本規(guī)律，會使用各種探測器。掌握粒子測試系統(tǒng)的原理及組建。掌握大型高能粒子探測譜儀的構成和工作原理。會設計研發(fā)新的粒子探測器。2/1/20233中國科大汪曉蓮學習方法和基本要求學習方法：理論聯(lián)系實際，認真聽課，獨立完成作業(yè)，認真做好實驗?；疽螅赫莆蘸伺c粒子物理實驗的基本概念，掌握粒子與物質相互作用的基本規(guī)律，各種粒子被探測的基本原理。根據實驗要求，會選擇粒子探測器。確定采用的探測方法和技術，設計粒子探測系統(tǒng)，并給出探測系統(tǒng)原理方框圖。2/1/20234中國科大汪曉蓮評分標準和要求平時占30%，根據作業(yè)、堂上練習、堂上提問、討論、小論文等綜合給分。作業(yè)每次留，一周交一次?？荚囌?0%本科生實驗單獨計分，研究生實驗視安排情況而定。實驗要求認真預習，寫出預習實驗報告，合作完成實驗，獨立完成實驗報告。2/1/20235中國科大汪曉蓮主要參考書及有關學術刊物《粒子探測器與數據獲取》有關章節(jié)

高能物理所謝一岡等編著《粒子物理實驗方法》有關章節(jié)

唐孝威院士等編著NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchAAnnualReviewofNuclearScienceIEEETransactionsNuclearScience高能物理與核物理核技術核電子學與探測技術2/1/20236中國科大汪曉蓮緒論宏觀物質與微觀粒子（無窮大到無窮小）從1026m到10-18m物質的基本結構：由原子到夸克夸克和輕子是物質的最基本組成一、世界是物質的2/1/20237中國科大汪曉蓮宇宙起源與演化生命起源及其本質粒子物理與宇宙學：聯(lián)合與交叉同步輻射與中子散射:提供關鍵的研究手段物質基本結構21世紀自然科學研究的三個最重要前沿物質科學是一切現(xiàn)代科學的基礎2/1/20238中國科大汪曉蓮ElectroweakforceElectromagneticforceQEDWeakforceStandardmodelStrongforceQCDGravitationforcegeneralrelaticivityGalaxy1021mMatter10-1mCrystal10-9mAtom10-10mAtomnucleus10-14

mElectronNucleon10-15m<10-18mQuarkDNA10-8mStructureofMatter2/1/20239中國科大汪曉蓮

1.尋找構成物質世界的基本元素物質無限可分？哲學命題與科學問題的區(qū)別同樣的問題,近似的理論哲學命題:思辯科學問題:定量(數學),實驗粒子物理標準模型:一種能定量描述與解釋所有實驗現(xiàn)象的理論類似于元素周期表：夸克模型2/1/202310中國科大汪曉蓮StandardModelTheStandardModelisthetheorydescribingtheinteractions(strong,electromagneticandweak)amongelementaryparticlesElementaryparticlescomeintwovarietiesFermions(quarks&leptons)andGaugeBosonsTheelectroweaksymmetryrequiresparticlestobemasslessmustbebrokenSMisagaugetheorywithsymmetrygroupsSU(3)CSU(2)LU(1)Y01Qeincreasinginmass2/1/202311中國科大汪曉蓮物質之間已知的相互作用引力相互作用電磁相互作用弱相互作用強相互作用相互作用的傳播所有的相互作用均通過傳播子以光速傳播引力:質量,引力子(?)電磁力:電荷,光子長程力，與作用距離平方成反比宏觀（經典）作用力短程力，描述微觀物理、核物理、粒子物理現(xiàn)象，微觀(量子)作用力2.物質之間的相互作用2/1/202312中國科大汪曉蓮二、粒子探測技術隨著核物理與粒子物理的發(fā)展而發(fā)展人類對物質世界的認識不斷深化，歸功于實驗和理論的相互促進，歸功于粒子加速器和粒子探測器的不斷建造和發(fā)展實驗觀測儀器和粒子探測器的發(fā)明和發(fā)展，使對物質世界的探索逐步走上現(xiàn)代實驗科學的軌道2/1/202313中國科大汪曉蓮客體尺度與觀測手段2/1/202314中國科大汪曉蓮光學顯微鏡不能研究原子的內部結構!!!量子力學告訴我們粒子具有波動性，波具有粒子性l=h/p用電子顯微鏡大型正負電子對撞機（LEP)曾是世界上最大的電子顯微鏡電子2/1/202315中國科大汪曉蓮1590年發(fā)明顯微鏡，觀察細菌、細胞1609年發(fā)明望遠鏡，觀察天文（太陽、月亮、星星）1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線1896年Becquerel發(fā)現(xiàn)射線1897年J.J.Thomson發(fā)現(xiàn)電子1911年E.Rutherford和他的學生Geiger、Marsden發(fā)現(xiàn)粒子大角度散射1919年E.Rutherford發(fā)現(xiàn)質子1919年F.Hess氣球實驗,1925年Millikan稱它作宇宙線1932年J.Chadwick發(fā)現(xiàn)中子原子核由質子和中子組成。質子,中子,電子組成了我們熟悉的物質世界。1931-33年泡利，費米對原子核的衰變譜的解釋：中微子(1956年實驗證實）1932年Anderson發(fā)現(xiàn)正電子(e+)1935年H.Yukawa預言存在介子，M~1/7Mp1936年Anderson&Neddermeyer在宇宙線中發(fā)現(xiàn)“介子”（-輕子）1947年5月：Powell等發(fā)現(xiàn)了介子1947年12月：Rochester在宇宙線實驗中發(fā)現(xiàn)了V粒子（奇異粒子K）

1.一些重要歷史事件2/1/202316中國科大汪曉蓮

1947年前，我們只知道很少的“粒子”，如質子、中子、電子、μ子等，人們認為這些粒子就是構成物質的最小單元，稱之為“基本粒子”。

此后，在宇宙線實驗和粒子加速器實驗中發(fā)現(xiàn)了大量的粒子：π，π0，K，K0，K0，Λ，，Ξ，Δ…約幾百種。有的壽命很短，產生出來很快就蛻變成別的粒子。

問題：是不是這幾百種粒子都是“基本”的？王淦昌發(fā)現(xiàn)反西格瑪負超子1963年,根據大量的實驗數據,蓋爾曼等猜測這些粒子具有內部結構,并給出了計算這些粒子質量的公式蓋爾曼的夸克模型：共有三種夸克u,d,s

60年代中期,中國的粒子物理學家曾提出了層子模型。介子由（qq）構成重子由（qqq）構成+

(ud)質子(uud)2/1/202317中國科大汪曉蓮建立夸克模型的關鍵實驗:電子轟擊質子(1972)質子并不是一個幾何點。它有大小，其半徑10-13cm，電荷就分布在這樣一個小空間范圍質子內部分布著大量的點電荷定量分析表明,質子是由三個夸克組成1974年——丁肇中，B.Richter發(fā)現(xiàn)J/

粒子

這個介子壽命非常長。

→charm夸克(c)mc~1.5GeVJ/Ψ

由(cc

)構成。

1977年——L.Lederman

發(fā)現(xiàn)(9.5GeV)

→Beauty(Bottom)(b)mb~5GeV(9.5)由(bb

)構成1994年——Fermilab.CDF組發(fā)現(xiàn)Top夸克(t)

mt

~176GeVee2/1/202318中國科大汪曉蓮粒子

原子核物理和粒子物理領域中的各種微觀粒子射線快速粒子束核輻射原子核自發(fā)放射各種射線的現(xiàn)象粒子質量與能動量的關系

或2.有關基本概念2/1/202319中國科大汪曉蓮BasicConcepts:Energy2/1/202320中國科大汪曉蓮BasicConcepts:Energy2/1/202321中國科大汪曉蓮electron(energyU)U=1eV=1.6x10-19J(speedatpositiveplate18000km/s)1KeV=103eV1MeV=106eV1GeV=109eV1TeV=1012eVLEP=209GeVLHC=14TeV-+1Volt電子伏（eV）：電子經過1伏電位差加速所得到的能量2/1/202322中國科大汪曉蓮3.粒子源及種類輻射源天外的：宇宙射線天然的：自然界自然存在的放射性核素人工的：用加速器，反應堆產生的放射性核素帶電粒子輻射：電子、重帶電粒子電磁輻射：X射線、射線中性粒子：中子、中微子、0等2/1/202323中國科大汪曉蓮宇宙射線在大氣中的簇射射線在大氣中由碰撞產生一些新的粒子，如子，介子，奇異粒子等。但是并沒有觀測到物質的更深層次的結構。（原子，原子核，核子。）2/1/202324中國科大汪曉蓮高能加速器和探測器

—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。（波長與能量成反比）產生新重粒子，需要更高能加速器。（E＝Mc2）模擬大爆炸瞬間的粒子狀態(tài)，需要高能重離子對撞機，以產生極高的溫度。加速器類型：一般加速器：加速單束帶電粒子。對撞機：兩帶電粒子束相撞，獲得更高的加速效率。分類:e+e-，ep，pp，，重離子—重離子。2/1/202325中國科大汪曉蓮靜電加速器串列加速器2/1/202326中國科大汪曉蓮直線加速器和回旋加速器2/1/202327中國科大汪曉蓮同步輻射加速器2/1/202328中國科大汪曉蓮對撞束2/1/202329中國科大汪曉蓮2/1/202330中國科大汪曉蓮世界上第一臺對撞加速器1960年意大利科學家陶歇克(B.Touschek)首次提出并在意大利的Frascati國家實驗室建成了直徑約1米的AdA對撞機，驗證了原理，從此開辟了加速器發(fā)展的新紀元。

2/1/202331中國科大汪曉蓮美國BNL的3.3GeVCosmotron2/1/202332中國科大汪曉蓮TevatronColliderFermilabTevatronCollider是目前世界上在運行的最高能量的對撞機質子，反質子束流加速到900GeV，有兩個相互作用對撞點(CDFandD?)95年發(fā)現(xiàn)Top夸克2/1/202333中國科大汪曉蓮歐洲粒子物理研究中心2/1/202334中國科大汪曉蓮CERNLEP正負電子對撞機2/1/202335中國科大汪曉蓮4.六位獲諾貝爾獎的粒子探測器大師C.T.R.Wilson發(fā)現(xiàn)通過蒸氣凝結觀察帶電粒子徑跡的方法和技術（1927年）P.M.S.Blackett發(fā)展Wilson云室技術，在核物理與宇宙線研究中做出貢獻（1948年）C.F.Powell發(fā)明乳膠技術，在宇宙線中發(fā)現(xiàn)介子（1950年）2/1/202336中國科大汪曉蓮D.A.Glaser發(fā)明氣泡室（1960年）L.W.Alvarez發(fā)展氫氣泡室及數據處理技術，發(fā)現(xiàn)大量共振態(tài)（1968年）G.Charpak發(fā)明多絲正比室并發(fā)展氣體絲室技術（1992年）2/1/202337中國科大汪曉蓮三、高能物理實驗加速器技術：能量越來越高，固定靶實驗，對撞機實驗粒子探測器：時間響應快，位置分辨高，能量分辨好讀出電子學：快速記錄海量的復雜事例標準快電子學插件的NIM系統(tǒng)CAMAC、VME總線系統(tǒng)計算機技術：在線實驗數據獲取、離線數據分析、事例重建、顯示、處理、傳輸大型綜合多粒子高能磁譜儀：通過測量粒子的電荷、能量、動量、徑跡、飛行時間，進而鑒別粒子，測量粒子不變質量譜，發(fā)現(xiàn)新粒子。國際合作：十幾個國家和地區(qū)，幾十個科研機構和大學，幾百上千個科學家、工程師合作2/1/202338中國科大汪曉蓮L3:發(fā)言人-丁肇中教授中國科大，中科院高能所，上硅所參加2/1/202339中國科大汪曉蓮三代輕中微子-LEP實驗結果2/1/202340中國科大汪曉蓮2/1/202341中國科大汪曉蓮從LEP到LHC2/1/202342中國科大汪曉蓮2/1/202343中國科大汪曉蓮尚待解決的問題Higgs是否存在？超對稱粒子（*注）是否存在？膠子球存在的證據，四夸克態(tài)、五夸克態(tài)、六夸克態(tài)和奇特態(tài)的尋找。暗物質粒子的探測（WIMP粒子的尋找）CP破壞的本質是什么？粒子為什么有質量？夸克、輕子是基本組元嗎？夸克、輕子只有三代嗎？*注：超對稱粒子是指夸克、輕子自旋為整數，傳播子自旋為半整數。2/1/202344中國科大汪曉蓮中微子振蕩的存在說明中微子有質量，在標準模型框架中不能解釋?？淇?、膠子等離子體是否存在？為什么宇宙中物質—反物質是不對稱的？反物質的尋找（AMS）是否存在標準模型之外的模型？

（標準模型遠不能說完備，它有17個參數之多）2/1/202345中國科大汪曉蓮ATLASDetector:redpartwithChinesecontributionsChinesecontribution0.5%2/1/202346中國科大汪曉蓮CMSDetector:Chinesecontribution1%IHEP－CSCPKU－RPC2/1/202347中國科大汪曉蓮原子可以分離為電子，原子核，形成等離子體強色場隨著距離拉開能量增加E=mc2為了研究原子的結構….我們可以將原子的組分分離原子核電子夸克真空中產生夸克－反夸克對質子(被禁閉的夸克)

0介子(被禁閉的夸克)夸克禁閉在強子內:強作用力的特點，沒有自由夸克中性原子2/1/202348中國科大汪曉蓮產生和研究解禁閉的夸克－膠子系統(tǒng)NuclearMatter(confined)HadronicMatter(confined)QuarkGluonPlasmadeconfined!方法

加熱

壓縮“夸克－膠子等離子體”LatticeQCDcalculations2/1/202349中國科大汪曉蓮相對論重離子對撞機(RHIC)RHICBRAHMSPHOBOSPHENIXSTARAGSTANDEMS1km1999年建成。它有兩個環(huán)（黃環(huán)和蘭環(huán)），周長3.8公里。2/1/202350中國科大汪曉蓮Heavy-ionCollisionsRHICBNLAu+Auupto200GeV/n2/1/202351中國科大汪曉蓮High-energyNuclearCollisionsS.Bass

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

interactionsHardscatteringproduction-QCDpredictionInteractionswithmedium-deconfinement/thermalizationInitialpartondensitytime2/1/202352中國科大汪曉蓮4DetectorsatRHIC2/1/202353中國科大汪曉蓮NeighborCTBTrayEMCRailsFEEMRPCdesigndevelopedatCERN,builtinChinaPrototypeTrayConstructionatRiceUniversity

28MRPCDetectors;24madeatUSTCTheSTARBarrelTOF

MRPCPrototype

70ps,2meterpathCompletedPrototype28moduleMRPCTOFTrayinstalledinSTAROct.‘02inplaceofexistingcentraltriggerbarreltray2/1/202354中國科大汪曉蓮24USTCmodulesassembledinthetray(total28)

2/1/202355中國科大汪曉蓮TheSTARBarrelTOFMRPCPrototypePrototypemodulesmetallperformancespecsintheSTARenvironmentandproducedimportantphysicsonPID’dCroninEffectMRPCTOF+TPCcleane±IDdownto0.2GeV/c2/1/202356中國科大汪曉蓮可能的長遠規(guī)劃項目極高能強子對撞機（VLHC)

電子直線對撞機，NLC/JLCTESLA/CLIC（TeV)

muon對撞機中微子工廠2/1/202357中國科大汪曉蓮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中國科大汪曉蓮S