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美国康乃尔大学基本粒子物理实验室LEPP
2005-04-14 |文章来源: | 浏览次数:  |

美国纽约州康乃尔大学(Cornell University)物理系的基本粒子物理实验室(Laboratory for Elementary-Particle Physics,简称LEPP)是世界上著名的加速器物理研究中心之一,它位于纽约州中部芬格湖畔(Finger Lakes)风景优美的伊萨卡市(Ithaca)(下图)

上图左为芬格湖畔的风光,右为康乃尔校园内的LEPP

LEPP主要从事实验物理和理论物理以及加速器物理的研究,现任所长为Maury Tigner教授(左图)研究经费主要来源于国家科学基金会。该实验室拥有F.R. Newman以及R. R. Wilson两个实验室

F.R.Newman实验室(右图)有教员办公室、LEPP管理部门、LEPP理论组、超导高频组、加工车间和绘图室。

R.R.Wilson实验室CESR(Cornell Electron-positron Storage Ring)储存环、CLEO探测器和CLEO合作者办公室CHESS装置以及LEPP电子学车间。

Wilson实验室取名于粒子物理的先驱威尔逊教授(Robert R.Wilson,1914-2000(左图)

同步加速器前:回旋加速器

1934年,康乃尔大学利用回旋加速器开始从事实验粒子物理研究。带电粒子从机器中心进行离心旋转,它由作为研究生帮助Ernest O.Lawrence在加州大学伯克利分校建造第一台这样机器的M.Stanley Livingston(右图)建在洛克菲勒大堂内。 康乃尔回旋加速器将质子加速到0.5 MeV

二次大战后不久,康乃尔大学的核研究实验室和Newman实验室相继成立。在Wilson教授的领导下,实验室的师生员工在地下室建造了第一台康乃尔电子同步加速器,将电子加速到300 MeV为康乃尔第一台粒子加速器的600倍。1949年,康乃尔核研究实验室在世界上第一个成功地将束流储存在同步加速器里。

上图为艺术家再现的威尔逊实验室,显示CESR位于现在上部校友运动场之下

二十世纪五十和六十年代: 同步加速器时代

1952年,第八任校长Dale Corson(左图)利用300 MeV同步加速器对同步加速器功率首次进行精确测量。1953年,Paul Hartman利用300 MeV同步加速器首次对同步加速器光谱进行精确测量。1954年,康乃尔建造了世界上第一台强聚焦的1 GeV电子同步加速器,并在康乃尔300 MeV同步加速器上建造了第一条专用同步辐射光束线。

到五十年代中,在第一台康乃尔同步加速器进行的粒子物理实验提出一些只有用更高能量的电子束流才能解决的重要问题。幸运的是,发明了新的技术,比较经济地解决了这一问题。第二台电子同步加速器的峰值能量为1200 MeV,轨道半径3.8米,六十年代初被半径7米能量为2200 MeV的同步加速器所取代。

1961年,Peter Joos利用1 GeV同步加速器首次对辐射极化进行测量。1965年,Maury Tigner发表第一篇提出粒子加速器中能量回收的论文。1968年, 康乃尔10 GeV电子同步加速器在运动场地下建造。 

二十世纪七十年代:同步加速器体积增加

同步加速器体积的不断增加,导致六十年代末建造了一座新的大楼-威尔逊实验室和半英里长的地下圆形隧道,以安放1 GeV同步加速器(与采用直线加速器方法的斯坦福直线加速器中心所用的概念不同)。因为经济原因,该机器的设计首先采用了从此世界上其他加速器拷贝的新颖建造技术。即使能量提高了,七十年代也该再次提高能量。然而,增加环尺寸的费用是昂贵的。

1975超导高频技术首次用于高能物理圆形加速器,超导高频腔插入10 GeV同步加速器中。

1979 康乃尔调试质心能量为10.6 GeV的正负电子对撞机-康乃尔电子储存环(CESR),和CLEO高能物理探测器。

1979同步加速器隧道内建康乃尔高能同步加速器源CHESSX射线装置。(左图的左侧为1969年的同步加速器,右侧为CHESS)

1979CESRCLEO9.4-10.4 GeV质心能量范围内看到3b`b夸克束缚态共振峰。

到七十年代末,从其他的实验室大量了解到有关加速高流强粒子束流,并使它们在高能轨道中运行数小时的情况。这样做的方法是建正负电子储存环,这是提高威尔逊实验室研究能力最节省费用的方法。康乃尔储存环(CESR)沿10 GeV同步加速器建在同一隧道里,1979年开始为物理实验运行。同时成立了CLEO合作组(称为CLEOI),初期由康乃尔大学、哈佛大学、罗彻斯特大学、Rutgers大学、Syracuse大学和Vanderbilt大学的物理学家组成。第一台CLEO探测器大约有1200吨铁。

二十世纪八十年代: 康乃尔运行CHESS

1978和1980年之间,康乃尔同步加速器源CHESS(详细介绍)被研制出来。它是作为研究X射线以使所有科学而不仅是粒子物理受益的同步加速器而建造的。1982年,CESR最后运行单束团,使单正负电子束团对撞。1983年,Raphael Littauer教授提出麻花状轨道,增加CESR中的束团数量,来提高亮度的想法。CESR安装了高流强注入器,使得大量聚束的粒子运行。到1983秋,CESR中有3个正负电子束团运行。

1984年夏,CESR开始7束团/束流的运行。同年,CESR进行改进,插入了2块四极磁铁。通过使这2块磁铁彼此之间相距2米,亮度增加了4倍。还是在这一年,普渡大学的Michael Rossman博士利用CHESS研究感冒病毒。

1988年,CESRb`b共振区处于世界领先,正负电子对撞机的亮度创了记录,达1032s-1cm-2CLEO 升级为CLEOII(详细介绍),包括桶和端盖量能器中30 吨搀杂铊的碘化铯。ACHESS也进行了扩展,CHESS东安装了1块新的永久扭摆磁铁。同年,Karl Berkelman 教授接任核研究实验室所长。卡内基-梅隆大学、佛罗里达大学、堪萨斯大学、俄克拉荷马大学、普渡大学和纽约州立大学奥尔巴尼分校的物理学家加入CLEO的研究。核研究实验室雇佣员工180人,运行经费为800万美元。

二十世纪九十年代: 更大更好

1990年,核研究实验室的运行经费为1400万美元。1994年CESR进行改进,包括部分安装了新的经典分离器和一个新的数字束流反馈系统。1994年夏,开始9个束团的运行。翌年,因为CLEO安装新的硅顶点探测器和改进环本身基本原理的束流-电流/热-能力CHESS 的能力,威尔逊实验室的实验计划暂停。

2000年和以后: 继承传统

2000年,威尔逊实验室安装了CLEOIII(详细介绍),CHESS东和CHESS西,许多大学的合作继续进行。2000年1月6日,Robert Wilson不幸逝世,享年85岁。他在粒子物理方面开拓性的思想在威尔逊同步加速器实验室将继续发扬光大。cesr-i1.jpg (37106 字节)

由于SLAC和KEK“B工厂”的加速器亮度已经超过了CESR,CESR决定改变物理方向,将加速器运行在3-5GeV的J/ψ能区,CESR将新的研究计划命名为CESR-c(详细介绍)。2003CESR安装6块超导扭摆磁铁(右图)后,Roderick_MacKinnon.jpg (12376 字节)使其能量降到质心能量3.76 GeV从而成为世界上第一个由扭摆磁铁主导的储存环。2004年3–5月安装另外6块。

Roderick MacKinnon(洛克菲勒大学)2003年被授予第一个利用CESR所做工作的诺贝尔奖(左图)MacKinnon领导的研究小组研究细胞离子通道的结构和机制,1998年他完成了一项几乎不可能的任务:在CESR用X射线晶体成像技术拍摄到了世界上第一张离子通道(蛋白质)的立体结构图,他所使用的这种观测方法意义极为重大。

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高能所科研处制作,内容由侯儒成译自CornellCESR等网


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