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国际大科学计划和大科学工程介绍系列—大型强子对撞机(LHC)(2)工程简介

2021-08-07 13:33     来源:中国科技云     LHC高能物理国际大科学计划对撞机
欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC-Large Hadron Collider)作为最庞大的国际大科学工程之一。本文将从工程简介、我国参与情况以及信息基础设施支撑等方面进行初略介绍。

一、工程简介

5. LHC的主要实验

ALICE
ALICE实验位于LHC法国艾因境内地下60米处。ALICE实验的主要目标是描述夸克胶子等离子体(QGP)的物理性质,这是一种在核碰撞中的极端温度和能量密度条件下产生的物质状态。


ATLAS
ATLAS(环形LHC装置)是LHC上最大的通用粒子探测器实验,位于瑞士的欧洲核子研究中心(CERN)。该实验旨在利用LHC上前所未有的能量,观察涉及早期低能加速器无法观测到的高质量粒子的现象。ATLAS是2012年7月发现希格斯玻色子的两个大型强子对撞机实验之一。它还被设计用来寻找超越标准模型的粒子物理理论证据。


CMS
CMS是在位于LHC在瑞士和法国建造的两个大型通用粒子物理探测器之一。CMS实验的目标是研究广泛的物理学,包括寻找希格斯玻色子、额外维度和可能构成暗物质的粒子。


LHCb
LHCb实验坐落在法国伏尔泰镇附近地下100米处。LHCb实验旨在探索大爆炸后发生了什么,能够允许物质生存,并建立我们今天居住的宇宙。



6. LHC的主要成就

首次运行
2009年12月15日,研究人员报告了LHC的第一个物理结果,涉及ALICE探测器中发生的284次碰撞。
2010年2月初CMS实验公布了第一次质子碰撞的结果。
2011年5月24日,据报道,LHC中产生了夸克-胶子等离子体。
2011年7月至8月,在Grenoble和Mumbai的会议上,报告称,ATLAS和CMS以95%的置信度(使用CLs方法)排除了在145和466 GeV之间的大部分质量区域存在一个具有标准模型所预测特性的希格斯玻色子。
2011年12月13日,CERN报告称,标准模型希格斯玻色子(如果存在)很可能质量限制在115–130 GeV范围内。CMS和ATLAS探测器也显示了124–125 GeV范围内的强度峰值,与背景噪声或希格斯玻色子的观测一致。
2011年12月22日,据报道,观察到一种新的复合粒子。
2012年7月4日,CMS和ATLAS团队宣布在质量区域发现一个玻色子,大约125–126个GeV,满足了宣布新粒子所需的正式级别。
2012年11月8日,LHCb小组报告了一项被视为物理学超对称理论“黄金”测试的实验。
2013年3月14日,CERN宣布确认所观测到的粒子确实是预测的希格斯玻色子。
2013年8月,LHCb团队在B介子衰变产物的角度分布中发现了一个标准模型无法预测的异常现象。
2014年11月19日,LHCb实验宣布发现了两个新的重亚原子粒子。
2014年4月4日,合作方确认了四夸克候选Z(4430)的存在。
2016年6月28日,这项合作宣布四夸克粒子衰变为J/ψ 和一个φ 介子。
2016年12月,ATLAS对W玻色子质量进行了测量,研究了在Tevatron进行精度分析。

第二次运行
在2015年7月召开的EPS-HEP会议上,这两项合作首次提出了几个粒子在较高碰撞能量下的横截面测量结果。
2015年12月15日,ATLAS和CMS实验均报告了使用13 TeV质子碰撞数据进行的希格斯物理、超对称性(SUSY)搜索和外星搜索的一些初步结果。
2017年7月,根据2016年收集的大型数据集进行了许多分析。希格斯玻色子的性质得到了更详细的研究,许多其他结果的精度也得到了提高。
截至2021年3月,大型强子对撞机实验在前两次运行期间收集的数据中发现了59个新强子。

7. 国际合作

随着大型强子对撞机的合作,实验的全球化已达到一个新的规模。粗略地说,ATLAS和CMS的参与者中,约有一半来自欧洲核子研究中心的非成员国。


日本在其中参与了多个LHC的主要实验。




美国费米实验室(Fermilab)自2015年起与CERN合作,2021年3月与欧洲核子研究中心(CERN)签署了一份谅解备忘录(MoU),详细说明了美国实验室对加速器升级项目的技术贡献,从而加强了两个领先的粒子物理实验室围绕高亮度LHC(HL-LHC)项目的合作。

美国还通过能源部和国家科学基金会,在HL-LHC项目框架内和项目外,大量参与了欧洲核子研究中心的活动,反之亦然。在同年费米实验室成功测试niobium-tin 11 Tesla短磁铁后不久,该国于2020年获得了该项目的观察员地位。这一杰出成就被誉为HL-LHC发展道路上的里程碑,HL-LHC将依靠这一技术聚焦强质子束。

同时,全球网络推进组织(GNA-G)、能源科学网络(ESNET)等组织均参与了LHC中多个项目,如HL LHC,LHCONE/LHCOPN,CMS,ATLAS中计算、存储、网络的建设(这一部分将在信息基础设施支撑中分详细介绍)。

二、我国参与情况

目前,已有60余名中国科学家参与了LHC实验。其中,LHC的四个主要实验均有中国科研单位和高校参与,分别为:中科院高能物理研究所、中国科技大学、山东大学、南京大学等参与ATLAS实验;中科院高能物理研究所、北京大学等参与CMS实验;中科院高能物理研究所、华中师范大学等参与ALICE实验;清华大学等参与LHCb实验。

中国科学家团队还在大型强子对撞机希格斯粒子性质研究中发挥了重要作用。在国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“大型强子对撞机CMS、ATLAS和ALICE实验物理研究”的支持下,中科院高能物理研究所陈和生团队深度参与了大型强子对撞机(LHC)上3个主要实验-CMS、ATLAS和ALICE-的国际组工作。项目团队成员担任CMS希格斯联合分析及性质组召集人,负责组织希格斯粒子相关的联合物理分析,并在大部分数据分析工作中发挥了领导作用。

高能所的计算中心还建立了LHC数据分析的网络平台,有2500个CPU,加入全球LHC的实验数据分析网络,为中国物理学家和世界各国的物理学家服务。

实验期间,中国每年派出一批科学家和研究生到CERN 参加LHC值班取数,分析数据,另外,中国科学家也可以在国内通过网络获取CERN的数据,在国内编写数据分析程序,通过网络把作业交到CERN,利用CERN 强大的计算能力,进行分析,通过网络获得分析结果。高能所的CMS合作组通过定期的视频交流参与合作。

中国通过多种方式促进了LHC相关工作交流,2020年11月清华大学举办了第六届中国LHC物理会议。会议旨在促进实验工作者和理论工作者在与LHC有关的物理问题上进行卓有成效的合作。

我国科学家于2012年9月提出建造下一代环形正负电子对撞机(CEPC)并适时改造为高能质子对撞机(SppC)的方案,在国际上引起巨大反响。CERN随后将此方向列为其粒子物理2013-2018年五年规划中的一部分,并于2014年2月启动了对未来环形对撞机的设计研究。国际未来加速器委员会(ICFA)已正式宣布将支持这样的研究并鼓励进行全球合作。

参考文献:
https://home.cern/sites/home.web.cern.ch/files/2018-07/CERN-Brochure-2017-002-Eng_0.pdf
https://en.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider#Popular_culture
https://home.cern/science/experiments/alice
https://home.cern/science/experiments/atlas
https://home.cern/science/experiments/cms
https://home.cern/science/experiments/lhcb
http://www.ihep.cas.cn/zt/sq40/syhw/201301/t20130116_3750735.html
https://indico.ihep.ac.cn/event/12369/
https://home.cern/news/news/cern/cern-and-fermilab-map-out-hl-lhc-collaboration
http://www.ihep.cas.cn/dkxzz/cepc/xmgk/201405/t20140515_4121115.html
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