歐洲核子研究中心（CERN）60年的實驗與發(fā)現
本書是歐洲核子研究中心（CERN）為紀念成立60周年組織若干知名物理學家編著，并于2015年正式出版的。60年來，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)展的實驗驗證方面起了決定性作用：從20世紀60年代罕見介子衰變的早期測量開始，70年代對弱中性流的檢測，80年代對弱相互作用的傳遞者W和Z玻色子的實驗發(fā)現，90年代LEP實驗為標準模型奠定了堅實的實驗依據，其后，2012年7月4日LHC設備上的ATLAS和CMS兩個合作組宣布發(fā)現的希格斯粒子又正式向世界宣告了粒子物理標準模型的最終成功。今天，CERN已成為世界粒子物理研究中心和前沿實驗陣地�！禕R》 本書各章高屋建瓴地介紹了60年來CERN在各有關研究領域的研究意義、技術路線、取得的成就以及歷史經驗，展現了世界各國政府以及數以千計科學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 1
1.1 引言 1
1.2 ATLAS和CMS實驗 4
1.2.1 ATLAS探測器 4
1.2.2 CMS探測器 6
1.2.3 安裝和調試 6
1.3 觸發(fā)器、計算技術及早期運行 8
1.3.1 觸發(fā)器和計算技術 8
1.3.2 標準模型測量以檢驗其正確性 9
1.4 標準模型中希格斯玻色子與LHC 11
1.4.1 希格斯玻色子的發(fā)現及其性質的測量 13
1.4.2 利用2011年全部數據與2012年部分數據的分析結果 13
1.4.3 來自2011年和2012年全部數據的結果 16
1.4.4 ATLAS和CMS合作組RUNⅠ數據合并的結果 21
1.5 總結和展望 25
參考文獻 27
第2篇 重味強子物理的精確測量 30
2.1 引言 30
2.2 歷史回顧 31
2.2.1 小林-益川機制的起源 31
2.2.2 B物理的興起 32
2.2.3 LHC時期 33
2.3 CKM矩陣 34
2.3.1 定義 34
2.3.2 標準參數化 35
2.3.3 Wolfenstein參數化 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 幺正三角形的實驗測定 40
2.4 LHC上的b物理回顧 42
2.4.1 CP =對稱性破壞 42
2.4.2 稀有電弱衰變 45
2.4.3 *衰變的首次觀測 46
2.5 總結 49
參考文獻 49
第3篇 走近物質的極限：CERN超相對論性核碰撞 58
3.1 強相互作用物質 58
3.2 QCD物質研究：樹立信心 60
3.3 CERN關于高溫QCD物質的研究 61
3.3.1 CERN重核加速 64
3.3.2 CERN的SPS實驗及其物理學 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 *時強子的形成：接近格點QCD預測 67
3.4.4 奇異重子和反重子產生增強 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手征對稱性恢復：強子在接近TC時融化 70
3.4.7 火球物質顯示集體動力學流 71
3.4.8 SPS總結及RHIC上的一些結果 71
3.5 LHC上的重離子物理學 72
3.5.1 強子形成 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 77
3.6 總結 78
參考文獻 79
第4篇 LEP輕中微子種類數目的測量 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 實驗可觀察量 84
4.2.3 對No的靈敏性 85
4.3 實驗測量 86
4.3.1 Z玻色子衰變的探測 86
4.3.2 數據樣本 88
4.3.3 截面和不對稱性測量 89
4.3.4 亮度測量 89
4.3.5 結果 90
4.3.6 不確定性 91
4.4 No的直接測量 91
4.5 總結 94
參考文獻 95
第5篇 在LEP上的精確實驗 98
5.1 引言 98
5.2 正負電子對撞機 100
5.3 在LEP上的四個探測器 102
5.4 W和Z玻色子質量的量子修正 103
5.5 SM截面、不對稱性和分支比 106
5.6 LEP-I的電弱結果 107
5.7 SM的約束 109
5.8 LEP-II的電弱結果 113
5.9 QCD結果 114
5.9.1 膠子的自相互作用 114
5.9.2 b夸克質量的跑動 115
5.9.3 強耦合常數的確定 115
5.10 規(guī)范耦合統(tǒng)一 116
5.11 總結 119
參考文獻 120
第6篇 W與Z粒子的發(fā)現 126
6.1 引言 126
6.2 CERN的質子反質子對撞機 127
6.3 實驗 131
6.3.1 UA1實驗 132
6.3.2 UA2探測器 133
6.4 W和Z玻色子的發(fā)現 135
6.4.1 W玻色子的發(fā)現 135
6.4.2 Z玻色子的發(fā)現 138
6.5 對撞機繼續(xù)運行后的物理結果 142
6.5.1 W和Z的質量與產生截面 142
6.5.2 *衰變中的電荷不對稱性 143
6.5.3 對QCD的一次檢驗 145
6.5.4 W和Z玻色子的強子衰變 145
6.5.5 W和Z玻色子的精密測量 146
6.6 總結 148
參考文獻 149
第7篇 弱中性流的發(fā)現 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50年代末弱相互作用的研究狀態(tài) 151
7.2.2 CERN的第一個中微子實驗 152
7.2.3 弱中性流的早期尋找 154
7.3 弱中性流的發(fā)現 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 激動人心的秋天 162
7.3.6 質子實驗 162
7.3.7 確認 164
7.4 總結 165
參考文獻 166
第8篇 CERN高能中微子實驗的重要成果 169
8.1 引言 169
8.2 早期Gargamelle關于夸克-部分子模型的結果 170
8.3 中微子束流和實驗 172
8.4 核結構和夸克部分子模型 175
8.5 弱電測量 177
8.5.1 弱混合角 177
8.5.2 粲夸克的產生和GIM機制 179
8.6 QCD和結構函數 180
8.7 總結 185
參考文獻 185
第9篇 直接CP破壞的發(fā)現 187
9.1 引言 187
9.1.1 CP破壞研究的早期階段 187
9.1.2 基本現象 188
9.1.3 80~90年代*實驗測量的狀況 189
9.1.4 *測量的主要挑戰(zhàn) 190
9.2 第一代：NA31束流和探測器 191
9.2.1 *束流 191
9.2.2 NA31實驗布局 192
9.2.3 中性衰變的測量：液氬量能器 193
9.2.4 帶電模式的測量 194
9.2.5 觸發(fā)、在線本底排除和數據獲取 195
9.3 NA31的分析和結果 195
9.3.1 分析 196
9.3.2 NA31的結果 197
9.3.3 相位測量 199
9.4 第二代：NA48束流和探測器 201
9.4.1 NA48束流 202
9.4.2 標記器 202
9.4.3 液氪量能器 203
9.4.4 譜儀 204
9.4.5 NA48觸發(fā)和數據獲取系統(tǒng) 204
9.4.6 NA48分析 204
9.4.7 NA48結果 208
9.5 總結 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介子實驗的遺產 211
參考文獻 212
第10篇 CPLEAR(PS195)上中性K介子離散對稱性的測量 216
10.1 低能反質子環(huán) 216
10.2 CPLEAR實驗方法 217
10.3 CPLEAR探測器 218
10.4 中性K介子唯象理論 220
10.4.1 時間演化 220
10.4.2 離散對稱性 222
10.4.3 *衰變中CP破壞的測量 224
10.4.4 T和CPT破壞參數的直接測量 225
10.4.5 幺正關系對T和CPT參數的限制 227
10.4.6 基本原理的相關測量 228
10.5 總結 231
參考文獻 231
第11篇 ISR的一個發(fā)現：質子-質子截面升高 234
11.1 1970年初期的強子-強子截面 234
11.2 理論框架 235
11.3 三個ISR的建議書 239
11.4 彈性散射與總截面的第一次結果 243
11.5 第二代實驗 249
11.6 ISR能量范圍內的重疊積分 252
11.7 ISR從更高能量看“小角度物理” 253
11.8 總結 258
參考文獻 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 束流和探測器 264
12.2.1 早期探測器 264
12.2.2 COMPASS探測器 265
12.2.3 COMPASS極化靶 266
12.3 非極化核子結構函數 266
12.3.1 散射截面和結構函數 267
12.3.2 標度破壞 268
12.3.3 微擾QCD檢驗 268
12.3.4 強耦合常數的測量 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實驗方法 274
12.4.3 實驗結果 274
12.4.4 橫向自旋 278
12.5 總結 281
參考文獻 282
第13篇 揭示強子中的部分子：從ISR到SPS對撞機 287
13.1 引言 287
13.2 作為膠子對撞機的ISR 288
13.2.1 引言 288
13.2.2 主要的里程碑 289
13.2.3 關于ISR 290
13.2.4 大橫動量：單舉產生的數據 292
13.2.5 事例結構和噴注 293
13.2.6 直接光子 297
13.2.7 ISR的遺產 297
13.3 在SPS對撞機上的噴注 298
13.3.1 引言 298
13.3.2 噴注產生的證據 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 質子結構函數的確定 305
13.3.6 直接光子產生 306
13.3.7 雙噴注系統(tǒng)的總橫動量 306
13.3.8 多噴注末態(tài) 307
13.4 總結 310
參考文獻 310
第14篇 反質子反氫原子的性質和奇特原子研究 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 317
14.2.3 強相互作用 318
14.2.4 核物理 318
14.3 反質子原子和質子偶素 320
14.3.1 質子偶素 322
14.4 反質子 323
14.4.1 電荷和質量：TRAP，ATRAP和ASACUSA三個實驗 325
14.4.2 磁矩：ATRAP 和 ASACUSA 實驗 328
14.5 反氫原子 329
14.5.1 低能的反氫原子：ATHENA，ATRAP實驗 329
14.5.2 捕集器 ALPHA，ATRAP 331
14.5.3 譜線 ALPHA 332
14.5.4 引力：AEgIS，GBAR實驗 332
參考文獻 335
第15篇 子反常磁矩和相對論檢驗 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 實驗細節(jié)和結果 349
15.5 第二代子儲存環(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 結果 355
15.6 總結 356
15.7 相對論檢驗 356
15.7.1 愛因斯坦第二假設 356
15.7.2 飛行μ子壽命 358
參考文獻 358
第16篇 CERN同步回旋加速器π稀有衰變的發(fā)現 361
16.1 引言 361
16.2 普適費米相互作用和 衰變：兩個并行的故事 362
16.2.1 介子發(fā)現之前的弱相互作用 362
16.2.2 介子發(fā)現之后的弱相互作用 363
16.3 介子衰變到電子和中微子：CERN的發(fā)現 367
16.4 首次觀測到*衰變 372
16.5 總結 374
參考文獻 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、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 殼結構：幻數的減小 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在通往下半個世紀的大門前 392
參考文獻 394
索引 396
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