歐洲核子研究中心（CERN）60年的實(shí)驗(yàn)與發(fā)現(xiàn)
本書是歐洲核子研究中心（CERN）為紀(jì)念成立60周年組織若干知名物理學(xué)家編著，并于2015年正式出版的。60年來(lái)，在第二次世界大戰(zhàn)的廢墟上建立的CERN在粒子物理的研究中取得了輝煌的成就，在弱電統(tǒng)一理論發(fā)展的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面起了決定性作用：從20世紀(jì)60年代罕見介子衰變的早期測(cè)量開始，70年代對(duì)弱中性流的檢測(cè)，80年代對(duì)弱相互作用的傳遞者W和Z玻色子的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，90年代LEP實(shí)驗(yàn)為標(biāo)準(zhǔn)模型奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，其后，2012年7月4日LHC設(shè)備上的ATLAS和CMS兩個(gè)合作組宣布發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子又正式向世界宣告了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的最終成功。今天，CERN已成為世界粒子物理研究中心和前沿實(shí)驗(yàn)陣地。《BR》 本書各章高屋建瓴地介紹了60年來(lái)CERN在各有關(guān)研究領(lǐng)域的研究意義、技術(shù)路線、取得的成就以及歷史經(jīng)驗(yàn)，展現(xiàn)了世界各國(guó)政府以及數(shù)以千計(jì)科學(xué)家之間合作的巨大成功。本書也是一本了解CERN的成功之道和杰出成就的歷史資料。
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目錄
第1篇 希格斯玻色子在LHC上的發(fā)現(xiàn) 1
1.1 引言 1
1.2 ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn) 4
1.2.1 ATLAS探測(cè)器 4
1.2.2 CMS探測(cè)器 6
1.2.3 安裝和調(diào)試 6
1.3 觸發(fā)器、計(jì)算技術(shù)及早期運(yùn)行 8
1.3.1 觸發(fā)器和計(jì)算技術(shù) 8
1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)模型測(cè)量以檢驗(yàn)其正確性 9
1.4 標(biāo)準(zhǔn)模型中希格斯玻色子與LHC 11
1.4.1 希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)及其性質(zhì)的測(cè)量 13
1.4.2 利用2011年全部數(shù)據(jù)與2012年部分?jǐn)?shù)據(jù)的分析結(jié)果 13
1.4.3 來(lái)自2011年和2012年全部數(shù)據(jù)的結(jié)果 16
1.4.4 ATLAS和CMS合作組RUNⅠ數(shù)據(jù)合并的結(jié)果 21
1.5 總結(jié)和展望 25
參考文獻(xiàn) 27
第2篇 重味強(qiáng)子物理的精確測(cè)量 30
2.1 引言 30
2.2 歷史回顧 31
2.2.1 小林-益川機(jī)制的起源 31
2.2.2 B物理的興起 32
2.2.3 LHC時(shí)期 33
2.3 CKM矩陣 34
2.3.1 定義 34
2.3.2 標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化 35
2.3.3 Wolfenstein參數(shù)化 36
2.3.4 幺正三角形 36
2.3.5 CP破壞的唯象理論 38
2.3.6 幺正三角形的實(shí)驗(yàn)測(cè)定 40
2.4 LHC上的b物理回顧 42
2.4.1 CP =對(duì)稱性破壞 42
2.4.2 稀有電弱衰變 45
2.4.3 *衰變的首次觀測(cè) 46
2.5 總結(jié) 49
參考文獻(xiàn) 49
第3篇 走近物質(zhì)的極限：CERN超相對(duì)論性核碰撞 58
3.1 強(qiáng)相互作用物質(zhì) 58
3.2 QCD物質(zhì)研究：樹立信心 60
3.3 CERN關(guān)于高溫QCD物質(zhì)的研究 61
3.3.1 CERN重核加速 64
3.3.2 CERN的SPS實(shí)驗(yàn)及其物理學(xué) 65
3.4 新千年的成就 66
3.4.1 火球能量密度 66
3.4.2 火球溫度 67
3.4.3 *時(shí)強(qiáng)子的形成：接近格點(diǎn)QCD預(yù)測(cè) 67
3.4.4 奇異重子和反重子產(chǎn)生增強(qiáng) 68
3.4.5 粲偶素(J=a)壓低解釋了QCD等離子體的形成 69
3.4.6 QCD手征對(duì)稱性恢復(fù)：強(qiáng)子在接近TC時(shí)融化 70
3.4.7 火球物質(zhì)顯示集體動(dòng)力學(xué)流 71
3.4.8 SPS總結(jié)及RHIC上的一些結(jié)果 71
3.5 LHC上的重離子物理學(xué) 72
3.5.1 強(qiáng)子形成 73
3.5.2 橢圓流 73
3.5.3 噴射淬火 74
3.5.4 夸克偶素壓低 75
3.5.5 發(fā)現(xiàn) 77
3.6 總結(jié) 78
參考文獻(xiàn) 79
第4篇 LEP輕中微子種類數(shù)目的測(cè)量 82
4.1 引言 82
4.2 理論原理 83
4.2.1 Z玻色子的寬度 84
4.2.2 實(shí)驗(yàn)可觀察量 84
4.2.3 對(duì)No的靈敏性 85
4.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量 86
4.3.1 Z玻色子衰變的探測(cè) 86
4.3.2 數(shù)據(jù)樣本 88
4.3.3 截面和不對(duì)稱性測(cè)量 89
4.3.4 亮度測(cè)量 89
4.3.5 結(jié)果 90
4.3.6 不確定性 91
4.4 No的直接測(cè)量 91
4.5 總結(jié) 94
參考文獻(xiàn) 95
第5篇 在LEP上的精確實(shí)驗(yàn) 98
5.1 引言 98
5.2 正負(fù)電子對(duì)撞機(jī) 100
5.3 在LEP上的四個(gè)探測(cè)器 102
5.4 W和Z玻色子質(zhì)量的量子修正 103
5.5 SM截面、不對(duì)稱性和分支比 106
5.6 LEP-I的電弱結(jié)果 107
5.7 SM的約束 109
5.8 LEP-II的電弱結(jié)果 113
5.9 QCD結(jié)果 114
5.9.1 膠子的自相互作用 114
5.9.2 b夸克質(zhì)量的跑動(dòng) 115
5.9.3 強(qiáng)耦合常數(shù)的確定 115
5.10 規(guī)范耦合統(tǒng)一 116
5.11 總結(jié) 119
參考文獻(xiàn) 120
第6篇 W與Z粒子的發(fā)現(xiàn) 126
6.1 引言 126
6.2 CERN的質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)撞機(jī) 127
6.3 實(shí)驗(yàn) 131
6.3.1 UA1實(shí)驗(yàn) 132
6.3.2 UA2探測(cè)器 133
6.4 W和Z玻色子的發(fā)現(xiàn) 135
6.4.1 W玻色子的發(fā)現(xiàn) 135
6.4.2 Z玻色子的發(fā)現(xiàn) 138
6.5 對(duì)撞機(jī)繼續(xù)運(yùn)行后的物理結(jié)果 142
6.5.1 W和Z的質(zhì)量與產(chǎn)生截面 142
6.5.2 *衰變中的電荷不對(duì)稱性 143
6.5.3 對(duì)QCD的一次檢驗(yàn) 145
6.5.4 W和Z玻色子的強(qiáng)子衰變 145
6.5.5 W和Z玻色子的精密測(cè)量 146
6.6 總結(jié) 148
參考文獻(xiàn) 149
第7篇 弱中性流的發(fā)現(xiàn) 151
7.1 引言 151
7.2 CERN高能中微子物理的開端 151
7.2.1 20世紀(jì)50年代末弱相互作用的研究狀態(tài) 151
7.2.2 CERN的第一個(gè)中微子實(shí)驗(yàn) 152
7.2.3 弱中性流的早期尋找 154
7.3 弱中性流的發(fā)現(xiàn) 155
7.3.1 氣泡室Gargamelle 155
7.3.2 挑戰(zhàn) 157
7.3.3 1973年3月的情況 158
7.3.4 中子本底 160
7.3.5 激動(dòng)人心的秋天 162
7.3.6 質(zhì)子實(shí)驗(yàn) 162
7.3.7 確認(rèn) 164
7.4 總結(jié) 165
參考文獻(xiàn) 166
第8篇 CERN高能中微子實(shí)驗(yàn)的重要成果 169
8.1 引言 169
8.2 早期Gargamelle關(guān)于夸克-部分子模型的結(jié)果 170
8.3 中微子束流和實(shí)驗(yàn) 172
8.4 核結(jié)構(gòu)和夸克部分子模型 175
8.5 弱電測(cè)量 177
8.5.1 弱混合角 177
8.5.2 粲夸克的產(chǎn)生和GIM機(jī)制 179
8.6 QCD和結(jié)構(gòu)函數(shù) 180
8.7 總結(jié) 185
參考文獻(xiàn) 185
第9篇 直接CP破壞的發(fā)現(xiàn) 187
9.1 引言 187
9.1.1 CP破壞研究的早期階段 187
9.1.2 基本現(xiàn)象 188
9.1.3 80~90年代*實(shí)驗(yàn)測(cè)量的狀況 189
9.1.4 *測(cè)量的主要挑戰(zhàn) 190
9.2 第一代：NA31束流和探測(cè)器 191
9.2.1 *束流 191
9.2.2 NA31實(shí)驗(yàn)布局 192
9.2.3 中性衰變的測(cè)量：液氬量能器 193
9.2.4 帶電模式的測(cè)量 194
9.2.5 觸發(fā)、在線本底排除和數(shù)據(jù)獲取 195
9.3 NA31的分析和結(jié)果 195
9.3.1 分析 196
9.3.2 NA31的結(jié)果 197
9.3.3 相位測(cè)量 199
9.4 第二代：NA48束流和探測(cè)器 201
9.4.1 NA48束流 202
9.4.2 標(biāo)記器 202
9.4.3 液氪量能器 203
9.4.4 譜儀 204
9.4.5 NA48觸發(fā)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng) 204
9.4.6 NA48分析 204
9.4.7 NA48結(jié)果 208
9.5 總結(jié) 209
9.5.1 *的世界平均值 209
9.5.2 K介子中的CP破壞：重介子系統(tǒng)的入口 210
9.5.3 K介子的CP破壞：理論的入口 211
9.5.4 CERN K介子實(shí)驗(yàn)的遺產(chǎn) 211
參考文獻(xiàn) 212
第10篇 CPLEAR(PS195)上中性K介子離散對(duì)稱性的測(cè)量 216
10.1 低能反質(zhì)子環(huán) 216
10.2 CPLEAR實(shí)驗(yàn)方法 217
10.3 CPLEAR探測(cè)器 218
10.4 中性K介子唯象理論 220
10.4.1 時(shí)間演化 220
10.4.2 離散對(duì)稱性 222
10.4.3 *衰變中CP破壞的測(cè)量 224
10.4.4 T和CPT破壞參數(shù)的直接測(cè)量 225
10.4.5 幺正關(guān)系對(duì)T和CPT參數(shù)的限制 227
10.4.6 基本原理的相關(guān)測(cè)量 228
10.5 總結(jié) 231
參考文獻(xiàn) 231
第11篇 ISR的一個(gè)發(fā)現(xiàn)：質(zhì)子-質(zhì)子截面升高 234
11.1 1970年初期的強(qiáng)子-強(qiáng)子截面 234
11.2 理論框架 235
11.3 三個(gè)ISR的建議書 239
11.4 彈性散射與總截面的第一次結(jié)果 243
11.5 第二代實(shí)驗(yàn) 249
11.6 ISR能量范圍內(nèi)的重疊積分 252
11.7 ISR從更高能量看“小角度物理” 253
11.8 總結(jié) 258
參考文獻(xiàn) 258
第12篇 SPS上μ子深度非彈性散射研究 263
12.1 引言 263
12.2 束流和探測(cè)器 264
12.2.1 早期探測(cè)器 264
12.2.2 COMPASS探測(cè)器 265
12.2.3 COMPASS極化靶 266
12.3 非極化核子結(jié)構(gòu)函數(shù) 266
12.3.1 散射截面和結(jié)構(gòu)函數(shù) 267
12.3.2 標(biāo)度破壞 268
12.3.3 微擾QCD檢驗(yàn) 268
12.3.4 強(qiáng)耦合常數(shù)的測(cè)量 269
12.4 核子自旋和極化深度非彈性散射 271
12.4.1 縱向自旋 272
12.4.2 CERN實(shí)驗(yàn)方法 274
12.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 274
12.4.4 橫向自旋 278
12.5 總結(jié) 281
參考文獻(xiàn) 282
第13篇 揭示強(qiáng)子中的部分子：從ISR到SPS對(duì)撞機(jī) 287
13.1 引言 287
13.2 作為膠子對(duì)撞機(jī)的ISR 288
13.2.1 引言 288
13.2.2 主要的里程碑 289
13.2.3 關(guān)于ISR 290
13.2.4 大橫動(dòng)量：?jiǎn)闻e產(chǎn)生的數(shù)據(jù) 292
13.2.5 事例結(jié)構(gòu)和噴注 293
13.2.6 直接光子 297
13.2.7 ISR的遺產(chǎn) 297
13.3 在SPS對(duì)撞機(jī)上的噴注 298
13.3.1 引言 298
13.3.2 噴注產(chǎn)生的證據(jù) 299
13.3.3 理論解釋 301
13.3.4 部分子{部分子散射的角分布 303
13.3.5 質(zhì)子結(jié)構(gòu)函數(shù)的確定 305
13.3.6 直接光子產(chǎn)生 306
13.3.7 雙噴注系統(tǒng)的總橫動(dòng)量 306
13.3.8 多噴注末態(tài) 307
13.4 總結(jié) 310
參考文獻(xiàn) 310
第14篇 反質(zhì)子反氫原子的性質(zhì)和奇特原子研究 314
14.1 引言 314
14.2 π，μ，K和其他奇特原子 315
14.2.1 原子物理 316
14.2.2 粒子的參數(shù) 317
14.2.3 強(qiáng)相互作用 318
14.2.4 核物理 318
14.3 反質(zhì)子原子和質(zhì)子偶素 320
14.3.1 質(zhì)子偶素 322
14.4 反質(zhì)子 323
14.4.1 電荷和質(zhì)量：TRAP，ATRAP和ASACUSA三個(gè)實(shí)驗(yàn) 325
14.4.2 磁矩：ATRAP 和 ASACUSA 實(shí)驗(yàn) 328
14.5 反氫原子 329
14.5.1 低能的反氫原子：ATHENA，ATRAP實(shí)驗(yàn) 329
14.5.2 捕集器 ALPHA，ATRAP 331
14.5.3 譜線 ALPHA 332
14.5.4 引力：AEgIS，GBAR實(shí)驗(yàn) 332
參考文獻(xiàn) 335
第15篇 子反常磁矩和相對(duì)論檢驗(yàn) 338
15.1 引言 338
15.2 基本原理 340
15.3 1958年1962年CERN回旋加速器和6m磁鐵 341
15.4 第一代子儲(chǔ)存環(huán) (1962.1968) 346
15.4.1 概述 346
15.4.2 飛行中的子衰變 349
15.4.3 實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和結(jié)果 349
15.5 第二代子儲(chǔ)存環(huán) (1969.1976) 351
15.5.1 電聚焦 352
15.5.2 電四極子和擦除 352
15.5.3 環(huán)形磁鐵 353
15.5.4 粒子注入 353
15.5.5 徑向分布 354
15.5.6 結(jié)果 355
15.6 總結(jié) 356
15.7 相對(duì)論檢驗(yàn) 356
15.7.1 愛因斯坦第二假設(shè) 356
15.7.2 飛行μ子壽命 358
參考文獻(xiàn) 358
第16篇 CERN同步回旋加速器π稀有衰變的發(fā)現(xiàn) 361
16.1 引言 361
16.2 普適費(fèi)米相互作用和 衰變：兩個(gè)并行的故事 362
16.2.1 介子發(fā)現(xiàn)之前的弱相互作用 362
16.2.2 介子發(fā)現(xiàn)之后的弱相互作用 363
16.3 介子衰變到電子和中微子：CERN的發(fā)現(xiàn) 367
16.4 首次觀測(cè)到*衰變 372
16.5 總結(jié) 374
參考文獻(xiàn) 374
第17篇 ISOLDE上的重要成果 377
17.1 引言 377
17.2 放射性核束的生產(chǎn)、操控和加速 380
17.2.1 靶離子源系統(tǒng)—裝置的核心 380
17.2.2 冷卻的束流、同核異能束流和源內(nèi)激光譜 381
17.2.3 REXISOLDE—放射性核束后加速的新概念 383
17.3 殼結(jié)構(gòu)：幻數(shù)的減小 385
17.4 核形狀—形狀共存和四極形變 387
17.5 核暈 389
17.6 基本相互作用研究 391
17.7 ISOLDE在通往下半個(gè)世紀(jì)的大門前 392
參考文獻(xiàn) 394
索引 396
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