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美國康乃爾大學(xué)基本粒子物理實驗室LEPP
2005-04-14 |文章來源: | 瀏覽次數(shù):  |

美國紐約州康乃爾大學(xué)(Cornell University)物理系的基本粒子物理實驗室(Laboratory for Elementary-Particle Physics,簡稱LEPP)是世界上著名的加速器物理研究中心之一,它位于紐約州中部芬格湖畔(Finger Lakes)風(fēng)景優(yōu)美的伊薩卡市(Ithaca)(下圖)。

上圖左為芬格湖畔的風(fēng)光,右為康乃爾校園內(nèi)的LEPP

LEPP主要從事實驗物理和理論物理以及加速器物理的研究,現(xiàn)任所長為Maury Tigner教授(左圖),研究經(jīng)費主要來源于國家科學(xué)基金會。該實驗室擁有F.R. Newman以及R. R. Wilson兩個實驗室

F.R.Newman實驗室(右圖)有教員辦公室、LEPP管理部門、LEPP理論組、超導(dǎo)高頻組、加工車間和繪圖室。

R.R.Wilson實驗室CESR(Cornell Electron-positron Storage Ring)儲存環(huán)、CLEO探測器和CLEO合作者辦公室、CHESS裝置以及LEPP電子學(xué)車間。

Wilson實驗室取名于粒子物理的先驅(qū)威爾遜教授(Robert R.Wilson,1914-2000(左圖)。

同步加速器前:回旋加速器

1934年,康乃爾大學(xué)利用回旋加速器開始從事實驗粒子物理研究。帶電粒子從機(jī)器中心進(jìn)行離心旋轉(zhuǎn),它由作為研究生幫助Ernest O.Lawrence在加州大學(xué)伯克利分校建造第一臺這樣機(jī)器的M.Stanley Livingston(右圖)建在洛克菲勒大堂內(nèi)。 康乃爾回旋加速器將質(zhì)子加速到0.5 MeV。

二次大戰(zhàn)后不久,康乃爾大學(xué)的核研究實驗室和Newman實驗室相繼成立。在Wilson教授的領(lǐng)導(dǎo)下,實驗室的師生員工在地下室建造了第一臺康乃爾電子同步加速器,將電子加速到300 MeV,為康乃爾第一臺粒子加速器的600倍。1949年,康乃爾核研究實驗室在世界上第一個成功地將束流儲存在同步加速器里。

上圖為藝術(shù)家再現(xiàn)的威爾遜實驗室,顯示CESR位于現(xiàn)在上部校友運動場之下

二十世紀(jì)五十和六十年代: 同步加速器時代

1952年,第八任校長Dale Corson(左圖)利用300 MeV同步加速器對同步加速器功率首次進(jìn)行精確測量。1953年,Paul Hartman利用300 MeV同步加速器首次對同步加速器光譜進(jìn)行精確測量。1954年,康乃爾建造了世界上第一臺強(qiáng)聚焦的1 GeV電子同步加速器,并在康乃爾300 MeV同步加速器上建造了第一條專用同步輻射光束線。

到五十年代中,在第一臺康乃爾同步加速器進(jìn)行的粒子物理實驗提出一些只有用更高能量的電子束流才能解決的重要問題。幸運的是,發(fā)明了新的技術(shù),比較經(jīng)濟(jì)地解決了這一問題。第二臺電子同步加速器的峰值能量為1200 MeV,軌道半徑3.8米,六十年代初被半徑7米能量為2200 MeV的同步加速器所取代。

1961年,Peter Joos利用1 GeV同步加速器首次對輻射極化進(jìn)行測量。1965年,Maury Tigner發(fā)表第一篇提出粒子加速器中能量回收的論文。1968年, 康乃爾10 GeV電子同步加速器在運動場地下建造。 

二十世紀(jì)七十年代:同步加速器體積增加

同步加速器體積的不斷增加,導(dǎo)致六十年代末建造了一座新的大樓-威爾遜實驗室和半英里長的地下圓形隧道,以安放1 GeV同步加速器(與采用直線加速器方法的斯坦福直線加速器中心所用的概念不同)。因為經(jīng)濟(jì)原因,該機(jī)器的設(shè)計首先采用了從此世界上其他加速器拷貝的新穎建造技術(shù)。即使能量提高了,七十年代也該再次提高能量。然而,增加環(huán)尺寸的費用是昂貴的。

1975 超導(dǎo)高頻技術(shù)首次用于高能物理圓形加速器,超導(dǎo)高頻腔插入10 GeV同步加速器中。

1979 康乃爾調(diào)試質(zhì)心能量為10.6 GeV的正負(fù)電子對撞機(jī)-康乃爾電子儲存環(huán)(CESR),和CLEO高能物理探測器。

1979 同步加速器隧道內(nèi)建康乃爾高能同步加速器源CHESSX射線裝置。(左圖的左側(cè)為1969年的同步加速器,右側(cè)為CHESS)

1979 CESRCLEO9.4-10.4 GeV質(zhì)心能量范圍內(nèi)看到3b`b夸克束縛態(tài)共振峰。

到七十年代末,從其他的實驗室大量了解到有關(guān)加速高流強(qiáng)粒子束流,并使它們在高能軌道中運行數(shù)小時的情況。這樣做的方法是建正負(fù)電子儲存環(huán),這是提高威爾遜實驗室研究能力最節(jié)省費用的方法。康乃爾儲存環(huán)(CESR)沿10 GeV同步加速器建在同一隧道里,1979年開始為物理實驗運行。同時成立了CLEO合作組(稱為CLEOI),初期由康乃爾大學(xué)、哈佛大學(xué)、羅徹斯特大學(xué)、Rutgers大學(xué)、Syracuse大學(xué)和Vanderbilt大學(xué)的物理學(xué)家組成。第一臺CLEO探測器大約有1200噸鐵。

二十世紀(jì)八十年代: 康乃爾運行CHESS

1978和1980年之間,康乃爾同步加速器源CHESS(詳細(xì)介紹)被研制出來。它是作為研究X射線以使所有科學(xué)而不僅是粒子物理受益的同步加速器而建造的。1982年,CESR最后運行單束團(tuán),使單正負(fù)電子束團(tuán)對撞。1983年,Raphael Littauer教授提出麻花狀軌道,增加CESR中的束團(tuán)數(shù)量,來提高亮度的想法。CESR安裝了高流強(qiáng)注入器,使得大量聚束的粒子運行。到1983秋,CESR中有3個正負(fù)電子束團(tuán)運行。

1984年夏,CESR開始7束團(tuán)/束流的運行。同年,CESR進(jìn)行改進(jìn),插入了2塊四極磁鐵。通過使這2塊磁鐵彼此之間相距2米,亮度增加了4倍。還是在這一年,普渡大學(xué)的Michael Rossman博士利用CHESS研究感冒病毒。

1988年,CESRb`b共振區(qū)處于世界領(lǐng)先,正負(fù)電子對撞機(jī)的亮度創(chuàng)了記錄,達(dá)1032s-1cm-2CLEO 升級為CLEOII(詳細(xì)介紹),包括桶和端蓋量能器中30 噸攙雜鉈的碘化銫。ACHESS也進(jìn)行了擴(kuò)展,CHESS東安裝了1塊新的永久扭擺磁鐵。同年,Karl Berkelman 教授接任核研究實驗室所長??▋?nèi)基-梅隆大學(xué)、佛羅里達(dá)大學(xué)、堪薩斯大學(xué)、俄克拉荷馬大學(xué)、普渡大學(xué)和紐約州立大學(xué)奧爾巴尼分校的物理學(xué)家加入CLEO的研究。核研究實驗室雇傭員工180人,運行經(jīng)費為800萬美元。

二十世紀(jì)九十年代: 更大更好

1990年,核研究實驗室的運行經(jīng)費為1400萬美元。1994年CESR進(jìn)行改進(jìn),包括部分安裝了新的經(jīng)典分離器和一個新的數(shù)字束流反饋系統(tǒng)。1994年夏,開始9個束團(tuán)的運行。翌年,因為CLEO安裝新的硅頂點探測器和改進(jìn)環(huán)本身基本原理的束流-電流/熱-能力CHESS 的能力,威爾遜實驗室的實驗計劃暫停。

2000年和以后: 繼承傳統(tǒng)

2000年,威爾遜實驗室安裝了CLEOIII(詳細(xì)介紹),CHESS東和CHESS西,許多大學(xué)的合作繼續(xù)進(jìn)行。2000年1月6日,Robert Wilson不幸逝世,享年85歲。他在粒子物理方面開拓性的思想在威爾遜同步加速器實驗室將繼續(xù)發(fā)揚(yáng)光大。cesr-i1.jpg (37106 字節(jié))

由于SLAC和KEK“B工廠”的加速器亮度已經(jīng)超過了CESR,CESR決定改變物理方向,將加速器運行在3-5GeV的J/ψ能區(qū),CESR將新的研究計劃命名為CESR-c(詳細(xì)介紹)。2003,CESR安裝6塊超導(dǎo)扭擺磁鐵(右圖)后,Roderick_MacKinnon.jpg (12376 字節(jié))使其能量降到質(zhì)心能量3.76 GeV從而成為世界上第一個由扭擺磁鐵主導(dǎo)的儲存環(huán)。2004年3–5月安裝另外6塊。

    

Roderick MacKinnon(洛克菲勒大學(xué))2003年被授予第一個利用CESR所做工作的諾貝爾獎(左圖)。MacKinnon領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研究細(xì)胞離子通道的結(jié)構(gòu)和機(jī)制,1998年他完成了一項幾乎不可能的任務(wù):在CESR用X射線晶體成像技術(shù)拍攝到了世界上第一張離子通道(蛋白質(zhì))的立體結(jié)構(gòu)圖,他所使用的這種觀測方法意義極為重大。

    

cesr-i4.gif (16275 字節(jié))

高能所科研處制作,內(nèi)容由侯儒成譯自Cornell、CESR等網(wǎng)


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