加速器產(chǎn)生帶電粒子束后，可以讓它打固定靶的原子，或與來自相反方向同樣的束流發(fā)生對撞。在這兩種情況下，都產(chǎn)生大量的新粒子。物理學家們利用探測器對每個粒子進行計數(shù)，跟蹤和描述其特征，研究許多可能的相互作用過程。這些物理學家們有理論、有信念、有思想，通過實驗證明其是正確的還是錯誤的。西歐中心的實驗有三方面的特點：一是科學目標，即想發(fā)現(xiàn)什么；二是實驗裝置，即所使用的探測器；三是國際合作。

西歐中心的物理實驗主要分為兩類：固定靶實驗和對撞實驗。

固定靶實驗研究粒子束與靶原子對撞后發(fā)生了什么。靶反沖中用去多數(shù)的束流能量，只剩下少部分能量創(chuàng)造新的粒子。在固定靶實驗中，所產(chǎn)生的粒子一般都向前飛行，所以實驗通常都用錐型探測器，放在光束線的下游。

對撞實驗研究兩個按相反方向運動的粒子束發(fā)生的對撞。這樣，就沒有浪費反沖能量，所有的能量都可用來產(chǎn)生新的粒子。在這些事例中，新產(chǎn)生的粒子從對撞點向所有方向輻射，所以探測器是球型，或是更常見的圓柱型。

固定靶實驗

在PS（右圖1）、SPS（右圖2）和AD（右圖3 AD高頻腔）加速器上運行的幾個固定靶實驗如下：

（在線同位素質(zhì)量分離器）是一個獨特的低能不穩(wěn)定放射性同位素源，位于質(zhì)子同步加速器增強器SPS。不穩(wěn)定放射性同位素是有許多質(zhì)子或中子的原子核，對它們的研究可使科學家們改進原子核的模型，其應(yīng)用范圍涉及天體物理到工業(yè)和醫(yī)學。（左圖為ISOLDE設(shè)備布局）

在AD（反物質(zhì)減速器）上，科學家們試圖把一個個反物質(zhì)組合在一起，而在質(zhì)子同步加速器PS上，其它的科學家則集中精確測量特殊原子和粒子的非常特別的特性。 

AD實驗包括：

反氫原子的產(chǎn)生和光譜學

ATHENA實驗采用完全不同的方法產(chǎn)生反氫原子。其思路是在低能—主要是在靜止時產(chǎn)生反氫原子，以便研究它們的特性。西歐中心建反質(zhì)子減速器的目的在于得到反質(zhì)子（這些反質(zhì)子是在高能對撞中產(chǎn)生的），并將它們降速到更便于運用的能量。

ATHENA裝置將來自反質(zhì)子減速器的反質(zhì)子加以減速、冷卻和捕獲。反質(zhì)子在稱為彭寧（Penning）陷阱的電磁“瓶”高真空中被捕獲，同時來自放射性源的正電子累積在另一個陷阱里，兩群帶電粒子（約1萬反質(zhì)子，7千萬正電子）混合在一起產(chǎn)生反氫原子。所有這一切都是在絕對零上15度的低溫環(huán)境里發(fā)生的。

形成的反氫原子從電磁陷阱中逃逸出來，因為它們不帶凈電荷。然后它們湮滅，被一個特制的探測器探測到。反氫原子在該探測器中產(chǎn)生一個具有非常特征的湮滅信號，使研究人員可以對反氫原子的產(chǎn)生加以確認。到目前為止，ATHENA已直接探測到131±22反氫原子。這意味著該裝置實際上產(chǎn)生了5萬個反氫原子，因為多數(shù)逃脫了探測。ATHENA下一步要測量反氫原子光譜，并與氫原子加以比較。這兩個光譜的任何差別都需要對目前的物質(zhì)與反物質(zhì)模型進行根本改變。

ATHENA取得的結(jié)果是反物質(zhì)科學的一個重要里程碑，打開了人們期望將原子捕獲、冷卻和處理的現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用到原子反物質(zhì)領(lǐng)域的大門。檢驗重力影響下的反物質(zhì)行為也是未來有趣的課題。

ATRAP

1986-1999年期間，TRAP合作組，自此改名為反氫原子捕獲合作組（ATRAP COLLABORATION）開發(fā)出對反質(zhì)子加以減速、捕獲和進行電子冷卻的反質(zhì)子。反氫原子捕獲合作組在能夠累積大量的冷反質(zhì)子之前，只有接近光速運動的高速反質(zhì)子可以進行研究。ATRAP利用TRAP的技術(shù)制造冷反氫原子。反質(zhì)子被減速、冷卻。最后在4.2 K熱平衡中儲存起來。4.2 K為平均能量，比以前的反質(zhì)子能量低100億倍。

單個反質(zhì)子數(shù)月長的禁閉，背景壓力低于5×10-17托和對來自單個被捕獲的反質(zhì)子的無線電信號的無損傷探測可以說明，反質(zhì)子與質(zhì)子的質(zhì)荷差小于9/1011，該比較值比以前的精確了將近100萬倍。使冷反質(zhì)子減速、冷卻和對其儲存的技術(shù)，使ATRAP合作組及其競爭者可以生產(chǎn)冷到精確激光光譜學足以捕獲的反氫原子。（左圖為第一個反氫原子陷阱）

所有初期在西歐中心搞的冷反質(zhì)子實驗都是在其低能反質(zhì)子環(huán)（LEAR）上進行的，該獨特的設(shè)備后來關(guān)閉。2000年和以后的反氫原子實驗，均在專門為此建造的反質(zhì)子降速環(huán)上進行。利用TRAP開發(fā)出來的技術(shù)，反質(zhì)子將在陷阱中而不是在儲存環(huán)中累積，從而降低了西歐中心的運行費用。

是低能反質(zhì)子環(huán)開展反質(zhì)子氦研究的派生項目。1990年，在KEK工作的日本一個小組表明，反質(zhì)子停在氦靶中形成所有的鏷電子原子的3%存活幾微秒，然后反質(zhì)子才陷入原子核中湮滅。這一亞穩(wěn)定性與期望的完全相反，明顯與電子的屏蔽效應(yīng)的存在相連。為防止原子受靶中正常氦原子對撞損傷效應(yīng)的影響，電子給其提供了保險。反質(zhì)子的主量子數(shù)n和角動量量子數(shù)l大約都是40，因此，其原子中的德布羅意波長比 n = 1電子的約小40倍。這意味著它的原子軌道幾乎是經(jīng)典的，而電子的軌道則完全是量子力學的。（左圖為ASACUSA實驗）

如這一混合特征是反質(zhì)子氦原子的唯一有趣特點的話，那么它只是原子物理學家的集郵中一個極其稀有的東西。更為重要的是，它的壽命相對湮滅而言長到足以使激光束流打到它。接近n=40時，反質(zhì)子的能級間隔應(yīng)約為2 eV或600 nm。此點于1993年由低能反質(zhì)子環(huán)組予以證實，該組利用597.259(2) nm的激光脈沖激勵了 (n,l) = (39,35) 和 (n,l)  = (38,34) 能級之間的量子躍遷。

到目前為止，實驗人員共發(fā)表了約250頁的實驗結(jié)果，表明激光技術(shù)達到了從未有過的的精確度。在理論方面，計算現(xiàn)在已詳細到足以考慮對電子運動的相對論修正，并給出對現(xiàn)在已知所有13個躍遷的躍遷波長在被測量波長的百萬分之幾范圍內(nèi)。從這些發(fā)展中，利用同量的精確度，可以推斷出反質(zhì)子量子電動力學的基本能量尺度里德伯常數(shù)。低能反質(zhì)子環(huán)組的最后推斷揭示了(n,l)  = (37,35) 到 (n,l)  = (38,34) 躍遷中的超精細結(jié)構(gòu)。這種躍遷產(chǎn)生于電子自旋和反質(zhì)子角動量的小的相互作用能量。

ASACUSA期望第一年在反質(zhì)子減速器上繼續(xù)研究其前合作組在低能反質(zhì)子環(huán)上遺留下來的鏷電子原子，利用與鏷電子原子三重共振中微波和光束精確測量超精細結(jié)構(gòu)的分裂，第二年在反質(zhì)子減速器束流上加上一個減速的高頻四極鐵，將反質(zhì)子的能量從MeV降到 keV。這樣在原子產(chǎn)生的瞬間就可對其 (n,l) 分布進行研究，了解在極低溫時反質(zhì)子的原子相互作用。第三年，再在反質(zhì)子減速器上加一個彭寧（Penning）陷阱，從此陷阱，靜止的反質(zhì)子被重新加速到eV和keV。由此得到的單色超低能量束流可對形成亞穩(wěn)定性的鏷電子原子的條件進行更嚴格的控制。

PS實驗：

PS實驗旨在測量動量在2-5 GeV/ c范圍內(nèi)的質(zhì)子和p介子在薄和厚的核靶上產(chǎn)生的次級強子，以獲得對p介子產(chǎn)量的足夠了解，優(yōu)化最近提出的中微子工廠的設(shè)計，大大改善大氣中微子流量。為更好地解釋現(xiàn)在和將來實驗中對大氣中微子研究所得到的中微子振蕩的證據(jù)，大氣中微子的流量是需要的。

又稱PS214實驗，是在質(zhì)子同步加速器PS上開展的強子產(chǎn)生實驗。目的是研究相對低能強子產(chǎn)生，優(yōu)化擬議中的中微子工廠靶的建造，幫助了解大氣中微子流量。（左圖為HARP實驗）

該實驗有一臺大接收度的帶電粒子磁譜儀，放在PS東大廳，利用帶標記的帶電粒子束流。實驗盡量使用NOMAD和CHORUS實驗的現(xiàn)有設(shè)備，特別重要的是使用了ALEPH的時間投影室模型，盡管做了大量修改。新做的唯一部件是閾契侖可夫探測器。

該實驗于2000末投入技術(shù)運行，2001年開始物理運行，2002年開始了第二階段的實驗，即去掉質(zhì)子靶，把氘和氦原子核直接送到實驗靶上。雖然實驗大氣中微子流量中的明顯不確定性將被排除，但在第三個階段，可考慮將束流的動量擴大到約100 GeV/ c，包括用氦離子運行。這樣不僅可將大氣中微子流量的可靠計算擴展到100 GeV/ c區(qū)域，而且還能對解開約3×10

eV時帶電粒子宇宙線光譜“膝區(qū)”之迷。

DIRAC

實驗的目標是測量1個飛秒量級的（基態(tài)）p+ p- 原子壽命，精度達10%。實驗設(shè)備由精密的雙臂磁譜儀組成，安裝在質(zhì)子同步加速器上PS。該實驗按非模型方法提供S波p介子散射長度差|a_0 - a_2|，精度為5%。手征擾動理論框架中的低能量子色動力學現(xiàn)在預(yù)言散射精確度非常高，低于2%。因此，這樣的測量會通過表示出夸克冷聚的大小，量子色動力學的一個數(shù)量級的參數(shù)，靈敏地檢查對量子色動力學中手征對稱破壞的理解。最近手征擾動理論對散射長度的預(yù)測得到[p+p -]的原子壽命為（2.9+-0.1）飛秒。（左圖為雙磁臂譜儀）

在SPS（超級質(zhì)子同步加速器）上，COMPASS實驗集中更多了解由夸克組成的粒子—強子，包括普通物質(zhì)的核子（質(zhì)子和中子），設(shè)法發(fā)現(xiàn)強子是如何組成的，特別是什么引起核子的自旋。SPS重離子計劃最近給出了一些另人振奮的結(jié)果。有7 個大的實驗測量了鉛與鉛原子核或鉛與金原子核對撞的不同方面，尋找科學家們稱的“夸克膠子等離子體”。2000年2月，這些實驗的發(fā)言人公布了“新物質(zhì)態(tài)”存在的有力證據(jù)。在這種新物質(zhì)態(tài)中，夸克不是結(jié)合成更復(fù)雜的像質(zhì)子和中子這樣的粒子，而是釋放出來，自由地漫游。

對撞實驗

4個大型對撞機實驗在LEP上進行,它們分別進行了不同的優(yōu)化，以詳細研究電磁和弱力物理的各個方面。在近12年的運行中，實驗對標準模型進行了極為精確的檢驗，數(shù)據(jù)分析將給出更多的結(jié)果。

LEP上的4個實驗如下：

系在LEP上開展的粒子物理實驗。1989年7月LEP實現(xiàn)第一次對撞后，ALEPH粒子探測器記錄了幾百萬的事例，旨在研究粒子物理標準模型，尋找新物理的表現(xiàn)。參加這一實驗的有來自全世界32所大學和國家實驗室的幾百名物理學家和工程師。

ALEPH探測器用來測量LEP上正負電子對撞產(chǎn)生的事例。典型事例復(fù)雜，許多粒子以噴注形式分布在整個探測器中。Z峰時事例率低于1 Hz，最高能量時起碼低100倍。因此，ALEPH探測器是這樣設(shè)計的，盡量增大立體角，為每個事例積累更多的信息。

束流管道周圍的圓柱型探測器，中間為正負電子相互作用點，可以做到這一點。長6.4 m，直徑5.3 m的超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生1.5泰斯拉的磁場。軛鐵為一個16邊型的圓柱體，有兩個端片，端片上留有LEP機器的聚焦磁鐵的孔。軛鐵厚1.2 m，又分成幾層，留有插入溜光管層的空間，這樣軛鐵就變成了強子量能器。軛鐵外面，有兩個雙層流光管室，記錄穿過軛鐵的μ子的位置和角度。線圈內(nèi)有個電子-光子量能器，用來識別可能最高分辨率和電子。它交替地由鉛和正比管組成。（左圖為ALEPH探測器）

帶電粒子的中央探測器為時間投影室，長4.4 m，直徑3.6 m，提供每個徑跡段的三度空間測量結(jié)果。另外，為一個徑跡提供330個電離測量結(jié)果，這有助于粒子識別。它在內(nèi)徑跡室的外面，該內(nèi)徑跡室為軸-絲漂移室，內(nèi)外徑分別為13 cm 和 29 cm，長2 m，為來自對撞點的帶電粒子提供8個徑跡坐標和觸發(fā)信號。

最靠近束流管道處，有一個硅條頂點探測器，為每個徑跡測量距沿束流線40 cm的束流軸6.3 cm 和 11 cm遠的兩對坐標。束流管道由鈹制造而成，直徑為16 cm，內(nèi)部真空為10-15大氣壓。

，這些能量轉(zhuǎn)化為新的粒子。

DELPHI實驗由幾層的粒子探測器組成，這些探測器在裝置的中心拾取正負電子對撞產(chǎn)生的碎片。每層探測器在識別對撞中產(chǎn)生的粒子中起不同作用，這就幫助了科學家弄清對撞中發(fā)生了什么。（左圖為DELPHI探測器）

DELPHI探測器是個先進的探測器，具有特殊的能力。它利用契侖可夫環(huán)成像技術(shù)，對各種次級帶電粒子加以區(qū)分。它還有一個先進的硅探測器提供精確的跟蹤，目的主要在于朝對撞點向后推斷徑跡來探測壽命非常短的粒子。DELPHI探測器的設(shè)計和建造共花費了7年時間，12年來每年都取數(shù)據(jù)。該實驗組有550名物理學家，來自 22個國家56所大學和研究所。

通過收集和分析LEP上的正負電子對撞事例，研究粒子極其相互作用。

OPAL探測器是一個大型多用途的粒子物理探測器，測量正負電子在探測器中心發(fā)生對撞后的結(jié)果。來自相反方向的電子和正電子沿束流管道向探測器中心逼近。束流管道是一個經(jīng)抽真空的金屬圓柱體，半徑幾毫米，從OPAL探測器中間穿過，提供一個到探測器的自然對稱軸。束流管道的外面是一層一層結(jié)構(gòu)的探測器部件?？偟奶綔y器約長12m，高12m，寬12m。

OPAL實驗和LEP 對撞機運行從1989年開始。取數(shù)據(jù)于2000年1月初結(jié)束，但數(shù)據(jù)分析要再進行許多年。LEP運行分兩個階段：第一階段為1989年-1995年。在此階段，為精確測量共積累幾百萬Z事例。這些事例中，正負電子產(chǎn)生了一個單個Z玻色子。第二階段從1996年-2000年。在此階段，為產(chǎn)生W+W-對，尋找可能的新粒子或物理效應(yīng)，對撞能量提高。

OPAL合作組由來自加拿大、德國、匈牙利、意大利、以色列、日本、英國和美國34個研究所的月300名物理學家組成，負責OPAL探測器的設(shè)計、建造和運行，以及數(shù)據(jù)分析。

LEP現(xiàn)已停機，并從地下隧道中移出，讓位大型強子對撞機LHC。在LHC中，能量非常高的質(zhì)子與質(zhì)子對撞，重離子與重離子對撞。這樣就使科學家們能進一步深入物質(zhì)結(jié)構(gòu)，重建宇宙大爆炸后幾微秒時的條件。

在LHC上擬開展的實驗有5個獲得批準，它們是：

實驗的目標是探索形成我們宇宙的物質(zhì)的基本特性和基本力。該實驗系物理科學方面嘗試的最大的國際合作項目，參加這一實驗的有34個國家150多所大學和實驗室的2000名物理學家。

為實現(xiàn)這一物理目標，物理學家們正在建造ATLAS探測器。該探測器由4個主要的部件組成：測量每個帶電粒子動能的內(nèi)徑跡室（黃色）；測量粒子所帶的能量的量能器（橘紅和綠色）；識別和測量μ子的μ子譜儀（蘭色）和使帶電粒子彎轉(zhuǎn)，以進行動能測量的磁鐵系統(tǒng)（灰色）。

ATLAS探測器（見上圖）中的相互作用產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)流，為消化這些數(shù)據(jù)需要有觸發(fā)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和計算系統(tǒng)。觸發(fā)系統(tǒng)每秒鐘從10億事例中選擇100個有趣的事例，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)從探測器獲取數(shù)據(jù)并把它們存儲器來，計算系統(tǒng)對每年記錄下來的10億數(shù)據(jù)進行分析。

ATLAS實驗的主要目標之一是發(fā)現(xiàn)和研究Higgs粒子。Higgs粒子在粒子理論中至關(guān)重要，它直接與粒子質(zhì)量概念，因而與所有質(zhì)量相關(guān)。ATLAS實驗可能會導(dǎo)致大統(tǒng)一理論，故而人類最終了解完整的萬物統(tǒng)一理論?！?/P>

主要研究目標為Higgs粒子和超對稱粒子的尋找。CMS探測器（Compact Muon Solenoid）是LHC上兩大探測器之一（另一個是ATLAS），是一個緊湊μ子螺線管探測器，要在很高的對撞率和很大的能量范圍下通過鑒別和精確測量μ子、電子和光子來清晰地探測各種新物理圖像，除了研究質(zhì)子-質(zhì)子對撞之外，還要進行重離子對撞研究。（左圖為CMS探測器）

CMS有一個磁場強度4T的超導(dǎo)電磁鐵，長13米，直徑為5.9米。CMS的徑跡探測器、電磁量能器和內(nèi)部強子量能器全都裝在超導(dǎo)螺線管內(nèi)。圍繞中央徑跡探測器的電磁部分將由鎢酸鉛晶體做成。強子量能器圍在外面，中央桶部內(nèi)徑1.8米，端蓋厚1.8米，μ探測系統(tǒng)由桶部和端蓋兩部分組成。

CMS投資總數(shù)達4.75億瑞士法郎，是一個超大型的實驗裝置，世界上有31個國家1700多位實驗物理學家參加此國際合作，預(yù)計在2005-2006年建成。

ALICE

為大型離子對撞實驗，旨在發(fā)現(xiàn)和研究夸克膠子等離子體。20世紀80年代至90年代西歐中心的實驗讓氫離子，硫離子和鉛離子與固定靶對撞，結(jié)果令人吃驚的顯示，夸克膠子等離子體再又冷卻成普通物質(zhì)前的瞬間可能已經(jīng)形成。在LHC上，鉛離子比目前西歐中心的實驗?zāi)芰扛?00倍時發(fā)生對撞。物理學家們相信，這些能量對形成夸克膠子等離子體十分理想，可使ALICEA實驗詳細研究它的特性。（左圖為ALICE探測器）

一點點能量即可使原子脫離分子或電子脫離原子。利用更多一點能量，科學家們就可質(zhì)子和中子脫離原子核。然而，不管他們有多大的能量，好像都不可能把每個夸克或膠子從其質(zhì)子或中子中打出來。

這一禁閉給研究夸克和膠子構(gòu)成了問題。一種解決的辦法是擴大夸克與膠子的禁閉體積，這樣它們就好像自由似地那樣運動，或被解禁。通過讓鉛離子在高能時發(fā)生對撞，這便是西歐中心在ALICE實驗中要達到的 目的。解禁是通往形成夸克膠子等離子體路上的第一步。

尋找被解禁物質(zhì)的實驗開展的時間不長。80年代，利用質(zhì)子束打質(zhì)子或更重的靶做實驗，現(xiàn)在的實驗則利用重離子束。每用更重的粒子和更高的能量都會提高對撞的能量密度和溫度，增加解禁的機會。

沒有人能絕對肯定普通物質(zhì)變?yōu)榻饨镔|(zhì)時會出現(xiàn)什么情況。理論物理學家預(yù)言，當物質(zhì)升溫從正常狀態(tài)變?yōu)榻饨麪顟B(tài)，然后在冷卻下來，出現(xiàn)不同的效應(yīng)。數(shù)年來，西歐中心的實驗已經(jīng)找到了所有這些效應(yīng)。結(jié)果很有前途，但鉛離子打鉛靶目前所獲得的溫度似乎僅剛足以達到解禁。在LHC上，鉛離子對撞應(yīng)將物質(zhì)加熱到日常產(chǎn)生夸克膠子等離子體的溫度。

ALICE合作組正在建造ALICE探測器。該探測器由以下幾個主要部分組成：內(nèi)部徑跡系統(tǒng)、時間投影室、光子譜儀、粒子鑒別器和m子探測器。

實驗為大型強子對撞B物理實驗，旨在研究CP破壞和帶重味的強子衰變中其他稀有現(xiàn)象，特別是B物理。為了解釋宇宙中觀測到的只有物質(zhì)而沒有反物質(zhì)，不僅基本粒子物理學家而且宇宙學家都對CP破壞感興趣。宇宙中觀察到的現(xiàn)象可視為見到的最大的CP破壞效應(yīng)。LHCb實驗將通過利用LHC產(chǎn)生的大量的不同類型的B介子，從質(zhì)和量上大大改進以前的實驗結(jié)果。這一點通過設(shè)計和建造一種探測器便可以做到。該探測器對只有強子和那些包括輕子的B介子末態(tài)具有很好的觸發(fā)效能，在所需動態(tài)的范圍內(nèi)，能夠識別K介子和p介子，具有非常好的衰變時間和質(zhì)量分辨率。

LHCb譜儀由束流管道、二極磁鐵、頂點探測器、徑跡探測器、RICH系統(tǒng)、量能器、m子探測器和觸發(fā)系統(tǒng)組成。

TOTEM實驗專門在LHC上進行總截面，彈性散射和衍射過程的測量。利用亮度無關(guān)法對總截面進行測量，該測量是在低動量傳輸時同時對彈性散射和非彈性散射相互作用進行探測的基礎(chǔ)上進行的。該方法還對機器的亮度進行絕對地校準。

實驗裝置由以下部分組成：①“羅馬罐型”的望遠鏡。它們對稱地放在交叉點的兩側(cè)，探測彈性和準彈性作用中在非常小的角度散射的質(zhì)子。②前向非彈性探測器，測量非彈性作用的總速率。

（高能所科研處制作 侯儒成編譯）