漢堡市的地下隧道

HERA的土木工程任務(wù)繁重。地下要挖掘4個大廳，每個大廳有7層樓深。在大廳之間，激光控制的鉆孔機(jī)HERAKLES彎曲地穿過漢堡地下10-25米深的沙土。該鉆孔機(jī)直徑6米，長度與鐵路和地鐵隧道中使用的大型鋼鉆一樣。在地下要挖掘安裝兩個HERA加速器的整個6。3公里長的隧道。在對人員和財產(chǎn)沒有危險的情況下，HERAKLES鉆孔機(jī)從居民區(qū)和商業(yè)區(qū)，道路和公園的地下鉆過，1987年8月19日到達(dá)HERA南大廳。從該大廳相反的方向出發(fā)，經(jīng)過整整28個月的鉆孔，隧道的挖掘工作完成，偏差只有2厘米，也就是說，完全在允許誤差10厘米的范圍內(nèi)。在通過赤野（Bahrenfeld）生活區(qū)，各種居住和商業(yè)區(qū)，以及漢堡大眾公園地下時，大約挖出180000立方米的土。（左圖為簽署HERA建造經(jīng)費協(xié)議）

漢堡地下隧道里的HERA加速器

強(qiáng)子-電子環(huán)加速器（HERA）是漢堡DESY最大的加速器，1992年開始運(yùn)行。HERA是世界上第一臺，也是唯一的使兩種不同類型的物質(zhì)粒子，即質(zhì)子和電子發(fā)生對撞的儲存環(huán)裝置。它有兩個環(huán)型加速器，每個長6.3公里，安裝在地下隧道里。其中一個將電子加速到27.5 GeV，另一個將質(zhì)子加速到920 GeV。電子和質(zhì)子在兩個環(huán)的真空管內(nèi)一連數(shù)小時按不同的方向運(yùn)行。因為運(yùn)行的速度幾乎接近光速，所以粒子沿著HERA環(huán)每秒飛行大約47000次。（左圖為DESY 的加速器）

HERA的兩個加速器

 HERAKLES完成HERA南、西大廳之間的第一段隧道后，安裝人員接手，先裝電纜和水管，然后是照明和通風(fēng)系統(tǒng)，接著是電子儲存環(huán)的第一批磁鐵。1978年8月，當(dāng)HERAKLES再次到達(dá)起始點時，電子加速器將近一半已經(jīng)安裝完畢。一年之后，該加速器加速了第一個電子束流。然后是最關(guān)鍵的部件，即建造用新研制出來的超導(dǎo)磁鐵及其復(fù)雜氦冷卻系統(tǒng)的質(zhì)子加速器?？偟恼f來，德國和意大利的公司約向DESY交貨650塊超導(dǎo)磁鐵。這些磁鐵在磁鐵測試大廳平均停留80小時，然后再安裝在隧道中的電子環(huán)上。最后一塊質(zhì)子磁鐵于1990年9 月19 日就位。1991年4 月14-15日夜，HERA組首次成功地將質(zhì)子儲存在機(jī)器里。1991年10月19日，HERA首次實現(xiàn)電子質(zhì)子對撞。（右圖為建造HERA）

HERA實驗

探測器每個大小如一座樓，位于地下7層樓深處。物理學(xué)家們利用這些大型裝置研究物質(zhì)的最小組成部分。前兩項實驗于1992年啟動：H1在北大廳，ZEUS在南大廳。兩個實驗都用來研究高能質(zhì)子電子對撞–即研究提供質(zhì)子內(nèi)部發(fā)生過程有關(guān)信息的事例。第三個實驗HERMES在東大廳。從1995年開始，HERMES便利用HERA的電子束流追蹤質(zhì)子自旋的起源，也就是說，它固有的角動量。在西大廳，HERA-B實驗從1999年一直都在用加速器的質(zhì)子束流，直到2003年2月。 （右圖為H1探測器）

HERA敏銳的眼睛

HERA探測器的確像功能極大的照相機(jī)那樣工作：里面布滿了成千上萬個電子學(xué)部件，這些探測器有3層樓高，重如半個艾菲爾鐵塔，每秒能夠記錄1000萬個圖像，每秒電子學(xué)自動從數(shù)據(jù)庫中挑選10個最佳圖像。在HERA正常的運(yùn)行年份，僅是H1和ZEUS實驗粒子對撞的圖像就有一億個被儲存起來，所有這些圖像都要進(jìn)行精確地分析。分析這兩個實驗記錄下來事例的是兩個國際合作組的約400名物理學(xué)家，他們來自12個國家50個研究所。（左圖為ZEUS 組的科學(xué)家）　　

HERA上開展的研究  

H1和ZEUS實驗–用電子探索質(zhì)子

當(dāng)與質(zhì)子對撞時，點狀電子像一個小的探頭，對質(zhì)子內(nèi)部進(jìn)行掃描。更具體地講，它穿透質(zhì)子，碰到質(zhì)子的一個組成部分-夸克?？淇藦馁|(zhì)子中撞出，變成一個新的粒子噴注，這些新的粒子沿著電子和質(zhì)子的碎片向所有方向散射。這些粒子在探測器中留下的軌跡使物理學(xué)家們就質(zhì)子內(nèi)部發(fā)生了什么變化得出結(jié)論。因此，HERA可視為“超級電子顯微鏡”，它提供世界上質(zhì)子內(nèi)部最清楚的圖像。HERA實驗對質(zhì)子內(nèi)部詳細(xì)情況的分辨率比以前其他可能的實驗精確10倍。這使物理學(xué)家們可以了解比質(zhì)子本身小2000倍的結(jié)構(gòu)，也就是說，小到5×10^-19米。（左圖為H1-事例，右圖為電子和質(zhì)子對撞）

質(zhì)子的基本組成部分

約30年前，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子由3個夸克組成，這些夸克由強(qiáng)力組合在一起。該種力的載體膠子，或中介粒子于1979年在DESY發(fā)現(xiàn)。在極短時間內(nèi)，膠子可分離為由夸克和反夸克組成的對。同樣，這些夸克和反夸克又可生成膠子，等等。這樣，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子里面有時隱時現(xiàn)的夸克，反夸克和膠子氣泡“海”。如H1和ZEUS實驗所示，質(zhì)子內(nèi)部的變化遠(yuǎn)比以前人們認(rèn)為的劇烈得多。HERA的物理學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)比期望更多的夸克，反夸克和膠子?，F(xiàn)在證明，越仔細(xì)看，看到的粒子越多?？淇恕⒎纯淇撕湍z子形成質(zhì)子內(nèi)部很濃的“湯”。理論和實驗物理學(xué)家現(xiàn)正加緊工作，以便找出食譜。（左圖為質(zhì)子的內(nèi)部情況）

自然界的基本力

4種基本力支配著世界：引力、電磁力、弱力和強(qiáng)力。引力使蘋果從樹上掉下來，星球沿著太陽轉(zhuǎn)。電磁力使電子和原子核組合在一起，形成原子，并從墻壁插口提供電流。弱力來源于太陽的核聚變和原子核放射性衰變。強(qiáng)力使質(zhì)子中的夸克和膠子，原子核中的質(zhì)子和中子組合在一起。這些力（相互作用）通過特定的交換粒子發(fā)送：電磁力通過光子，又稱光量子發(fā)送；作用于夸克之間的強(qiáng)力由膠子發(fā)送；弱力通過電荷為中性的Z粒子和帶正負(fù)電荷的W粒子發(fā)送；引力靠沒有質(zhì)量尚未發(fā)現(xiàn)的引力子發(fā)送。今天，物理學(xué)家們假定大爆炸后不久，整個宇宙仍然是一個能量高的難以置信非常小的“火球”時，一個單一的原始的力在控制場面。粒子加速器上的實驗使我們能夠在最小的距離研究這些力和粒子。在HERA儲存環(huán)裝置上，質(zhì)子提供了一個理想的精度非常高研究自然界基本力的“微型實驗室”。（右圖為自然界4種力的示意）

力的統(tǒng)一

H1和ZEUS能夠表明：在自然界的4種力中，有兩種力正好是一個單一力的不同方面。電磁力和弱力在強(qiáng)度上通常不一樣。顧名思義，弱力在低能時比電磁力弱的多，但在HERA高能對撞時，它們變的一樣強(qiáng)。因此，H1 和ZEUS兩個實驗?zāi)軌蛱峁﹥蓚€力來自同一起源的直接證據(jù)。HERA實驗使物理學(xué)家們能夠直接觀測高能時這兩種力是如何合在一起成為弱電力的。這一組合代表著向自然界4種基本力大統(tǒng)一邁出的第一步。（左圖為弱電統(tǒng)一示意） 

強(qiáng)力有多強(qiáng)?

H1和ZEUS實驗已經(jīng)使物理學(xué)家們能夠精確地測量作用于夸克之間強(qiáng)力的強(qiáng)度。首次，一個單個實驗不斷地表現(xiàn)出在廣泛的能量范圍內(nèi)該種力的強(qiáng)度的變化。此外，其它的力相反也是一樣：夸克彼此間靠的越近，越能自由移動。它們彼此間離的越遠(yuǎn)，把它們吸引在一起的強(qiáng)力拉力越強(qiáng)。在很多方面，強(qiáng)力都像個橡皮筋。這些結(jié)果強(qiáng)有力地確認(rèn)了理論上的預(yù)言：遠(yuǎn)距離時，強(qiáng)力的強(qiáng)度提高。（右圖為強(qiáng)偶合常數(shù)）

HERMES實驗和質(zhì)子自旋

正像地球一樣，核子，也就是說，原子核里的質(zhì)子和中子沿著它們的軸旋轉(zhuǎn)。換句話說，它們具有自旋。這一現(xiàn)象仍然困惑著物理學(xué)家們。因在20世紀(jì)80年代中，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了核子的3個基本組成部分 – 價夸克 – 僅約占核子自旋的三分之一。其余的三分之二來自哪里？所以在HERA上就搞了HERMES實驗來解決這一問題。實驗中，科學(xué)家們觀測從HERA儲存環(huán)來的高速運(yùn)動的電子與充滿氣體的室中的原子對撞時發(fā)生的情況。實驗中一個非同尋常的情況是，來自HERA和氣體原子的電子的自旋按一個特定的方向定位。如果對撞的頻率和類型取決于這一排列，那么被觀測的粒子反應(yīng)就會提供質(zhì)子自旋實際來自哪里的一個清晰的圖像。（左圖為HERA隧道中的激光極化計）  

膠子自旋

今天，很明顯，組成質(zhì)子或中子的價夸克不能單獨解釋自旋現(xiàn)象，因為核子也由夸克，反夸克和膠子整個“?！苯M成。所有這些處于不斷運(yùn)動中的亞原子粒子都具有自旋。因此，為了正確理解核子自旋，必須先確定它的每個組成部分所做的貢獻(xiàn)。這里，HERMES實驗可助一臂之力。該實驗有一個特別的方案，能夠使物理學(xué)家們分別對每種不同類型的夸克所做的貢獻(xiàn)到總自旋進(jìn)行測量。另外，HERMES也提供了膠子自旋第一個直接的證據(jù)。該實驗到目前為止所獲得的結(jié)果表明，夸克海對核子的總自旋做出很小的貢獻(xiàn)。另一方面，膠子相應(yīng)地做出更為重要的貢獻(xiàn)。（右圖為質(zhì)子自旋）

HERA-B – 在極其嚴(yán)格的條件下取數(shù)據(jù)

HERA-B實驗利用HERA質(zhì)子束流。質(zhì)子打很細(xì)的鋁絲靶，產(chǎn)生級聯(lián)粒子，包括少數(shù)幾對由重夸克組成的粒子，它們的衰變被HERA-B探測器記錄下來。HERA-B實驗的原來目的是研究宇宙為什么主要由物質(zhì)組成，盡管大爆炸中產(chǎn)生的物質(zhì)和反物質(zhì)數(shù)量相同。在實驗上，對B介子的CP破壞進(jìn)行測量。（左圖為HERA-B 靶）  

日本KEK和美國SLAC建造了專門的正負(fù)電子儲存環(huán)（又稱B工廠），每個都有臺探測器。DESY決定利用HERA的質(zhì)子束流，并建造HERA-B探測器。建造HERA-B探測器在技術(shù)上是個挑戰(zhàn)，因為與以前的正負(fù)電子探測器相比，HERA-B沒有樣機(jī)。因此，必須開發(fā)和測試嶄新的探測方法。這特別意味著到目前為止前所未有的抗輻射的探測器部件，和每秒要處理相當(dāng)通過德國電訊整個網(wǎng)絡(luò)信息量的電子學(xué)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。很明顯，在2000年兩個B工廠的實驗很快達(dá)到目標(biāo)，所以HERA-B組決定利用他們的探測器研究其它的物理問題。但所取得的進(jìn)展是為將來實驗所做的開拓性的工作，即CERN 正在建造的LHC的實驗。2001年HERA-B開始了新的物理計劃。探測器在2002年11 月至2003年2月成功地記錄了3.5億個高能質(zhì)子對撞“事例”。這標(biāo)志著HERA-B取數(shù)據(jù)結(jié)束，合作組將集中全力進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，重點放在涉及強(qiáng)力的問題上，例如從粲夸克來得粒子是如何在原子核內(nèi)部產(chǎn)生的，在原子核里如何與其它物質(zhì)相互作用。故HERA-B數(shù)據(jù)使物理學(xué)家能夠接觸到以前其它實驗不能達(dá)到的領(lǐng)域。（右圖為HERA-B 量能器）

“超級電子顯微鏡”探索質(zhì)子的心臟

電子和質(zhì)子在HERA加速器內(nèi)對撞時，電子像一個小的探頭對質(zhì)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描。粒子對撞的能量越高，物理學(xué)家對質(zhì)子看得越深，揭示的細(xì)節(jié)越詳細(xì)。為取得這些高能對撞，兩種類型的粒子需要分別加速，然后發(fā)生對撞。這一方案需要兩種特殊的加速器，每種加速器就其本身在技術(shù)上都是一個挑戰(zhàn)。以前向來就沒人試圖建造這樣一個裝置。直到那時為止，DESY都把經(jīng)歷放在正負(fù)電子物理上，因此要建造質(zhì)子加速器完全沒有經(jīng)驗。但一切都做到了：HERA于1984年4 月6 日正式批準(zhǔn)，1990年11月8日慶祝如期完工。在慶祝儀式上，漢堡科學(xué)參議員Ingo von Münch教授談到財政上取得的巨大成功，因為盡管在技術(shù)上存在著巨大的挑戰(zhàn)，HERA組還是成功地按期完工并未超過預(yù)算。（左圖為HERA 隧道）

高技術(shù)，低溫度

如果在高能時要引導(dǎo)HERA內(nèi)沿軌道運(yùn)行的質(zhì)子圍繞裝置的曲線運(yùn)轉(zhuǎn)，強(qiáng)大的磁場是重要的。事實上，這些磁場必須是使用正常軛鐵和銅線圈所獲得的磁場的3倍。產(chǎn)生這樣強(qiáng)磁場唯一切實可能的辦法是借助超導(dǎo) – 所選擇的材料具有在極低溫時沒有任何損耗的導(dǎo)電能力。DESY開發(fā)的HERA質(zhì)子環(huán)的650塊超導(dǎo)磁鐵的設(shè)計立刻取得成功，同時在世界范圍內(nèi)被采納。HERA超導(dǎo)磁鐵的工作溫度為-269⁰C。為使6。3公里長的HERA里的東西適當(dāng)?shù)睦鋮s，DESY于1986年建造了當(dāng)時歐洲最大的冷凍系統(tǒng)。在2500米²的廳內(nèi)，氦氣被冷卻直到凝固成固體。然后液氦被注入到HERA環(huán)里，從磁鐵流過，使磁鐵降到工作溫度。就歐洲的工業(yè)而言，建造HERA意味著一個獨特的機(jī)會。公司第一次有機(jī)會大規(guī)模地獲得超導(dǎo)和低溫技術(shù)的機(jī)會。（左圖為冷凍廠）

"HERA模式" 的國際合作

建造HERA是一個大型的國際合作，共有11個國家參加了建造，在粒子研究歷史上屬于首次。以前，在國際合作的框架下建造大型探測器很普遍，建造加速器本體則是本研究所自己的責(zé)任。但是，國際上對HERA的興趣非常之大，法國、意大利、以色列、加拿大、荷蘭和美國的研究所提供了裝置的主要部件和為主要部件支付費用，或進(jìn)行重要的測試。英國、波蘭、捷克斯洛伐克、中國和前德意志民主共和國及德意志聯(lián)邦共和國的研究所派專家協(xié)助工作。有不少于45個國外研究所和320家公司（合同金額超過25，000歐元）參加了這一工程的建造。HERA所須經(jīng)費20%以上來自國外，HERA實驗約60%的經(jīng)費也來自國外。這種“HERA模式”的國際合作非常奏效，現(xiàn)在已成為大型國際研究項目的榜樣。（右圖為HERA研究運(yùn)行開始儀式）

改進(jìn)后的HERA加速器

 2001年7月29日，HERA開始重新運(yùn)行。加速器的改進(jìn)剛好用了9個月，目標(biāo)是將“對撞率”提高4倍。功率的提高可使研究人員接觸稀有過程，增強(qiáng)HERA研究粒子和作用于粒子之間力的能力。將來的計劃不僅包括研究質(zhì)子的結(jié)構(gòu)，而且還包括研究基本力的特點和尋找新的粒子和力。（左圖為"HERA 軌道車"在運(yùn)行中）

高“對撞率”的高技術(shù)

2000年9月至2001年5月中旬，共有120名技術(shù)員、科學(xué)家和工程師從事HERA改進(jìn)工作。共有480米長的真空系統(tǒng)需要更換，接近80塊磁鐵要重新設(shè)計安裝，每塊長1到4米，重達(dá)7公噸。在粒子束流對撞之前，新的磁鐵能立刻降低它們的截面。HERA加速的束流將集中在以前它們截面的1/3上 – 從0.01cm2到0.003 cm2。這一精度水平要求對兩個對撞區(qū)進(jìn)行完美的安排，這就大大提高了HERA加速器中被加速的電子和質(zhì)子實際上發(fā)生對撞的幾率。因此，粒子物理學(xué)家們能夠以足夠高的頻率來觀測稀有過程，使觀測獲得滿意的結(jié)果。然而，大量令人厭煩的過程也會增加。因此，HERA探測器在技術(shù)上也要改進(jìn)，以便它們能夠更快更有效地評價哪些粒子的相互作用是真的有意義。另外一次改進(jìn)將開辟很有希望的研究前景：不僅HERMES實驗，而且H1和ZEUS實驗都能夠用極化電子進(jìn)行實驗。為此，HERA南、北兩區(qū)都配有自旋旋轉(zhuǎn)器 – 復(fù)雜的磁鐵系統(tǒng)使電子的自旋向其飛行的方向轉(zhuǎn)動；用技術(shù)術(shù)語講，就是粒子將“縱向極化”。（右圖為HERA改進(jìn)后的磁鐵）

"HERA II"要解決的問題

 在HERA上開展的地二階段的研究中，可充分利用“超級電子顯微鏡”的極高分辨率。事實上，在最高分辨率的范圍內(nèi)，粒子對撞比較稀少。但是，由于對撞速率的提高，在這一特別的區(qū)域會有更多的事例，從而在對超出粒子物理流行理論標(biāo)準(zhǔn)模型事例特別敏感的范圍內(nèi)，取得更精確和統(tǒng)計上更堅實的結(jié)果。到2006年6 月，HERA II將進(jìn)行物理運(yùn)行，富有吸引力的物理計劃會發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)和超出標(biāo)準(zhǔn)模型的問題答案：

夸克真是基本粒子嗎?

HERA現(xiàn)在的研究清楚表明，質(zhì)子由許多夸克和膠子組成。隨著HERA對撞速率的提高，可以高精度地研究它的結(jié)構(gòu)，精度可到比質(zhì)子本身小1000倍的尺碼。這樣，科學(xué)家們就可找到像夸克這樣的粒子是否有一個亞結(jié)構(gòu)，因此可能根本就不是我們認(rèn)為的基本粒子的答案。

強(qiáng)力如何起作用？

幾年來，HERA實驗H1和ZEUS都對強(qiáng)力進(jìn)行了精確的測量。強(qiáng)力負(fù)責(zé)把質(zhì)子內(nèi)的夸克和膠子組合在一起，把原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子組合在一起。實驗?zāi)軌蜃C明：與電磁力相比，這種力的偶合強(qiáng)度隨著粒子間距離的增加而增強(qiáng)，但電磁力的偶合強(qiáng)度則隨著粒子間距離的增加而減弱。因HERA的功率提高，即使是在極短粒子距離，也可更深入地研究強(qiáng)力令人迷惑不解的特點。根據(jù)HERA的測量，膠子和夸克-反夸克對在質(zhì)子內(nèi)部不斷地出現(xiàn)和消失。膠子和夸克的高密度是強(qiáng)力的一個嶄新的方面，至今未怎么研究過。它可能負(fù)責(zé)使夸克和膠子“鎖定在”質(zhì)子里，永遠(yuǎn)不以自由電子出現(xiàn)。

能看到一些新東西嗎?

尋找粒子物理中嶄新的現(xiàn)象非常具有刺激性。的確有一些“新物理”的苗頭，像在HERA上觀測到的一些不完全符合現(xiàn)在物質(zhì)理論的對撞事例。隨著HERA對撞速率的提高，通過檢查意外的事例數(shù)是否不在增加或相反降低，直到效應(yīng)又在“隨機(jī)噪音”中消失，物理學(xué)家們能夠?qū)⒂杏玫臄?shù)據(jù)從干擾信號中分出來。HERA新的數(shù)據(jù)或能令人信服地驗證對物質(zhì)世界的認(rèn)識，或?qū)ξ镔|(zhì)世界提出新的觀點 – 像找到未發(fā)現(xiàn)的粒子，或甚至找到現(xiàn)在仍然未知的一種自然界的基本的力。 

（高能所科研處制作 侯儒成編譯）