漢堡市的地下隧道

HERA的土木工程任務繁重。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HERAKLES彎曲地穿過漢堡地下10-25米深的沙土。該鉆孔機直徑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

強子-電子環(huán)加速器（HERA）是漢堡DESY最大的加速器，1992年開始運行。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行。因為運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，然后是照明和通風系統(tǒng)，接著是電子儲存環(huán)的第一批磁鐵。1978年8月，當HERAKLES再次到達起始點時，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。然后是最關鍵的部件，即建造用新研制出來的超導磁鐵及其復雜氦冷卻系統(tǒng)的質(zhì)子加速器。總的說來，德國和意大利的公司約向DESY交貨650塊超導磁鐵。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那樣工作：里面布滿了成千上萬個電子學部件，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，每秒電子學自動從數(shù)據(jù)庫中挑選10個最佳圖像。在HERA正常的運行年份，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名物理學家，他們來自12個國家50個研究所。（左圖為ZEUS 組的科學家）　　

HERA上開展的研究  

H1和ZEUS實驗–用電子探索質(zhì)子

當與質(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家們就質(zhì)子內(nèi)部發(fā)生了什么變化得出結論。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。這使物理學家們可以了解比質(zhì)子本身小2000倍的結構，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，物理學家們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子由3個夸克組成，這些夸克由強力組合在一起。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)部的變化遠比以前人們認為的劇烈得多。HERA的物理學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)比期望更多的夸克，反夸克和膠子。現(xiàn)在證明，越仔細看，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、弱力和強力。引力使蘋果從樹上掉下來，星球沿著太陽轉。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力由膠子發(fā)送；弱力通過電荷為中性的Z粒子和帶正負電荷的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。因此，H1 和ZEUS兩個實驗能夠提供兩個力來自同一起源的直接證據(jù)。HERA實驗使物理學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） 

強力有多強?

H1和ZEUS實驗已經(jīng)使物理學家們能夠精確地測量作用于夸克之間強力的強度。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，把它們吸引在一起的強力拉力越強。在很多方面，強力都像個橡皮筋。這些結果強有力地確認了理論上的預言：遠距離時，強力的強度提高。（右圖為強偶合常數(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。換句話說，它們具有自旋。這一現(xiàn)象仍然困惑著物理學家們。因在20世紀80年代中，物理學家們發(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，科學家們觀測從HERA儲存環(huán)來的高速運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。這里，HERMES實驗可助一臂之力。該實驗有一個特別的方案，能夠使物理學家們分別對每種不同類型的夸克所做的貢獻到總自旋進行測量。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果表明，夸克海對核子的總自旋做出很小的貢獻。另一方面，膠子相應地做出更為重要的貢獻。（右圖為質(zhì)子自旋）

HERA-B – 在極其嚴格的條件下取數(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破壞進行測量。（左圖為HERA-B 靶）  

日本KEK和美國SLAC建造了專門的正負電子儲存環(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探測器在技術上是個挑戰(zhàn)，因為與以前的正負電子探測器相比，HERA-B沒有樣機。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，和每秒要處理相當通過德國電訊整個網(wǎng)絡信息量的電子學數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。很明顯，在2000年兩個B工廠的實驗很快達到目標，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”。這標志著HERA-B取數(shù)據(jù)結束，合作組將集中全力進行數(shù)據(jù)分析，重點放在涉及強力的問題上，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)使物理學家能夠接觸到以前其它實驗不能達到的領域。（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)部結構進行掃描。粒子對撞的能量越高，物理學家對質(zhì)子看得越深，揭示的細節(jié)越詳細。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，1990年11月8日慶祝如期完工。在慶祝儀式上，漢堡科學參議員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算。（左圖為HERA 隧道）

高技術，低溫度

如果在高能時要引導HERA內(nèi)沿軌道運行的質(zhì)子圍繞裝置的曲線運轉，強大的磁場是重要的。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)生這樣強磁場唯一切實可能的辦法是借助超導 – 所選擇的材料具有在極低溫時沒有任何損耗的導電能力。DESY開發(fā)的HERA質(zhì)子環(huán)的650塊超導磁鐵的設計立刻取得成功，同時在世界范圍內(nèi)被采納。HERA超導磁鐵的工作溫度為-269⁰C。為使6。3公里長的HERA里的東西適當?shù)睦鋮s，DESY于1986年建造了當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會。公司第一次有機會大規(guī)模地獲得超導和低溫技術的機會。（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研究運行開始儀式）

改進后的HERA加速器

 2001年7月29日，HERA開始重新運行。加速器的改進剛好用了9個月，目標是將“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)子的結構，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"在運行中）

高“對撞率”的高技術

2000年9月至2001年5月中旬，共有120名技術員、科學家和工程師從事HERA改進工作。共有480米長的真空系統(tǒng)需要更換，接近80塊磁鐵要重新設計安裝，每塊長1到4米，重達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探測器在技術上也要改進，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行實驗。為此，HERA南、北兩區(qū)都配有自旋旋轉器 – 復雜的磁鐵系統(tǒng)使電子的自旋向其飛行的方向轉動；用技術術語講，就是粒子將“縱向極化”。（右圖為HERA改進后的磁鐵）

"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準模型事例特別敏感的范圍內(nèi)，取得更精確和統(tǒng)計上更堅實的結果。到2006年6 月，HERA II將進行物理運行，富有吸引力的物理計劃會發(fā)現(xiàn)標準模型內(nèi)和超出標準模型的問題答案：

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構，精度可到比質(zhì)子本身小1000倍的尺碼。這樣，科學家們就可找到像夸克這樣的粒子是否有一個亞結構，因此可能根本就不是我們認為的基本粒子的答案。

強力如何起作用？

幾年來，HERA實驗H1和ZEUS都對強力進行了精確的測量。強力負責把質(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。實驗能夠證明：與電磁力相比，這種力的偶合強度隨著粒子間距離的增加而增強，但電磁力的偶合強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力的一個嶄新的方面，至今未怎么研究過。它可能負責使夸克和膠子“鎖定在”質(zhì)子里，永遠不以自由電子出現(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，直到效應又在“隨機噪音”中消失，物理學家們能夠將有用的數(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)世界的認識，或對物質(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）