美国最大的高能物理研究实验室 / 大型实验设施
高能物理前沿和相关科学研究 / 带动新技术发展 / 丰硕成果 / 获奖

一、美国最大的高能物理研究实验室

美国费米国家加速器实验室原名为国家加速器实验室（National Accelerator Laboratory），根据美国总统林顿·约翰逊1967年11月21日签署的法案建立，由当时的美国原子能委员会AEC负责管理。创建该所的R·威尔逊（Robert R.Wilson）所长为该所建立的严格原则是：杰出的科学、艺术的瑰丽、土地的守护神、经费上精打细算和机会均等。

美国原子能委员会AEC从200多个建议中，选择美国中部伊利诺伊州芝加哥市以西30英里处韦斯顿（Weston）的巴达维亚（Batavia）作为费米实验室的建设地点。费米实验室所占6800英亩的场地原为农田，原有的一些谷仓至今仍在使用，有的用作仓库，有的用于社交活动。

1974年，美国国会撤销原子能委员会AEC，成立了核管理委员会NRC与能源研究与开发局ERDA。1977年，美国国会组建了能源部DOE，ERDA并入DOE。费米实验室归属DOE，由美国大学研究协会URA（Universities Research Association）负责运作。

1974年5月11日，该实验室被命名为费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory，FNAL），简称费米实验室（Fermilab）。E·费米（Enrico Fermi，1901-1954）是原子时代卓越的物理学家，1938年获诺贝尔物理学奖，以表彰他发现新的放射性物质和发现慢中子的选择能力。

费米实验室鸟瞰

费米实验室

费米实验室是美国最大的高能物理研究实验室，在世界上仅次于欧洲核子研究中心CERN。

费米实验室的目标是探索自然界最微小的部分——存在于原子中的世界，了解宇宙是如何形成和运转的，提高人类对物质和能量的基本属性的理解。

为开展高能物理的前沿和相关学科的研究，费米实验室建造和运行高能物理学家需要进行前沿研究的设施，并为未来的实验开发新的加速器技术。费米实验室拥有2100多名雇员，年度预算为3.07亿美元。

来自美国和世界各地的高校和实验室约2500个科研用户在费米实验室开展它们的研究。几十年来费米实验室获得了多项研究成果，并带动了相关技术的发展。

费米实验室位置示意图（图片来自Google）

费米实验室的威尔逊楼和湖泊

二、大型实验设施

高能物理研究的主要工具是加速器，特别是对撞机，让反向旋转的粒子束流在对撞机中对撞。在美国，最高能量的对撞机就是费米实验室的万亿电子伏特加速器Tevatron，在欧洲核子中心CERN的大型强子对撞机LHC建成之前，Tevatron是世界上最大的加速器。由于实验的性质，高能物理学家们要进行研究，必须与像费米实验室这样大的实验室进行合作。

1、万亿电子伏特加速器Tevatron

Tevatron是世界上最强大的质子反质子对撞机，它将质子和反质子束流沿着4英里的周长加速到光束的99.99999954％。这两个束流在位于束流管道两个不同位置的2个5000吨的探测器（CDF、D0）中心对撞，以研究宇宙早期的情形，探查物质在最小尺度的结构；束流还引入到固定靶产生中微子束流用来开展研究。

万亿电子伏特加速器Tevatron示意图　 Tevatron隧道

Tevatron位于地面25英尺以下。在该加速器内，粒子束流穿过一个大部分由超导磁铁环绕的真空管道。各类磁铁的组合使束流按大的圆形弯转。Tevatron共有1000多块超导磁铁。超导磁铁比常规磁铁产生更强的磁场，工作在华氏－450度，磁铁内的电缆没有电阻，传导大量的电流。特大的磁力可将粒子加速到更高的能量。

Tevatron主控制室

（1）加速器链

Tevatron由多级加速器组成：750keV的预注入器、200MeV的直线加速器、8GeV的增强器和500GeV的主加速器。

Tevatron的加速器链

预注入器：预注入器也叫高压倍加器，是用来产生质子束流的低能强流加速器。质子从这里开始加速，把从离子源中引出的负氢离子加速到750keV。

预注入器

直线加速器：直线加速器是产生带负电的氢离子是产生质子和反质子束流的第一步。费米实验室的第一个直线加速器建于1971年，最初加速粒子高达200 MeV。1993年进行了升级，由9个加速节组成，长约500英尺，可将预注入器中产生的带负电的离子加速到400 MeV，或大约光束的70％。束流从直线加速器出来，经中能输运段进入增强器。

增强器：位于地下约20英尺的增强器是一个环型加速器，进入增强器的离子要穿过碳箔，碳箔从氢离子中去掉电子，产生带正电子的质子。增强器利用磁铁使质子束流在圆形轨道中弯转，围绕增强器运行20000次。每一圈中它们都在高频腔中经历一个来自电场的加速力，这使得到加速周期结束时将质子的能量加速到8GeV，然后引出束流向主加速器注入。

增强器

主注入器：主注入器1999年竣工，有以下功能：（1）将质子从8 GeV加速到150 GeV；（2）产生120 GeV质子，用于反质子的产生；（3）从反质子源接收反质子并把它们的能量提高到150 GeV；（4）将质子和反质子注入Tevatron。

主注入器（下部）与返航器（上部）

反质子源：为产生反质子，主注入器把120 GeV的质子送到反质子源，质子与镍靶对撞，产生范围很广的次级粒子，包括许多反质子。反质子被收集，聚焦后存在储存环内，并对它们进行累积和冷却。当产生足够数量的反质子后，它们被送到返航器再进行冷却和累积，然后注入Tevatron。

反质子源

Tevatron：接收从主注入器来的150 GeV的质子与反质子，并将其几乎加速到1000 GeV。质子与反质子按相反的方向在Tevatron里运转，速度每小时仅比光速慢200英里。质子与反质子束流在Tevatron隧道中的CDF和D0探测器的中心部分发生对撞，爆发式地产生新粒子。

Tevatron隧道

（2）探测装置

固定靶：

三条光束线将质子从主注入器传送到中微子靶。这个区域的束流也测试探测器，并进行不涉及中微子的固定靶实验。将各种材料的样品放入光束线中，研究各种类型的粒子和它们的相互作用。利用这些装置，物理学家们在1977年6月30日发现底夸克和2000年Donut实验探测到t中微子。

固定靶实验区域

固定靶实验示意图

CDF与D0探测器：

CDF与D0探测器是物理学家们在Tevatron上用来观测质子和反质子之间对撞的两个探测器。探测器大如三层楼房，每个探测器都有许多探测分系统，这些分系统识别来自几乎在光速发生对撞所产生的不同类型的粒子。通过分析这些“碎片”，探究物质的结构、空间和时间。质子反质子在CDF和Do探测器中心每秒发生200多万次的对撞，产生大量的新粒子。对于有趣的事例，探测器记录每个粒子的飞行轨道、能量、动量和电荷。物理学家们倒班工作，一天24小时地监测探测器的运行情况。

CDF与D0探测器位置示意图

CDF探测器　 D0探测器

建设历程

1968年12月1日，费米实验室的直线加速器破土动工；1969年10月3日主环（200 GeV的质子加速器）破土动工。1972年3月1日第一个能量为200 GeV的束流通过主环，使费米实验室产生了世界上最高能量的粒子。1972年12月14日主环能量倍增到400 GeV。1978年，为进一步提高粒子的能量，费米实验室决定建造体积更大、功能更强的大型对撞机，先集中技术力量，将主环的能量提高至1兆电子伏特。1981年，主环创造400 GeV时3 x1013 质子/脉冲的世界纪录。1983年7月，产生了世界上第一个能量为512 GeV的束流（当时命名为能量倍增器Energy Doubler）。

1983年8月16日，反质子源破土动工，准备耗资1.2亿美元建造世界上能量最高的粒子加速器——质子反质子对撞机Tevatron。Tevatron的1000块超导磁铁由液氦冷却，使温度达到摄氏零下268度，其低温冷却系统为当时加速器历史上最大的低温系统。

1984年2月，能量倍增器产生了第一个能量为800 GeV的束流。1985年10月13日，CDF探测器在质心能量1.6 TeV时首次观测到质子反质子对撞。1986年10月20日能量倍增器产生第一个能量为900 GeV的束流。Tevatron成为世界最高能量的质子-反质子对撞机。

1992年，D0探测器开始调试。为增加质子反质子的对撞次数Tevatron开始第一次升级改造，称为Tevatron-II，在原2公里隧道外新建一个能量为150 GeV的常规磁铁环作为新的注入器，亮度提高10倍。目标是寻找希格斯粒子，如果理论学家的预言是正确的，那么这将有助于解释为什么宇宙中的万物都有质量。

1993年5月22日主注入器加速器破土动工。1993年9月4日，新的400 MeV直线加速器调试完成。1995年，创造了高能质子反质子粒子对撞次数的世界纪录。

1996年，Tevatron第一次升级改造完成，向CDF和D0发送180 pb-1，实验观测到了反氢原子。1997年，为固定靶实验2.86E13发送创记录的流强800 GeV 束流；主环加速器关闭并进行拆除。

1999年，主注入器落成。2000年，固定靶项目结束，为43个实验提供束流。大型探测器CDF和DO进行了改进，为新的重大发现和开展新的物理工作奠定基础。

2001年，Tevatron第二次升级开始。2004年，加速器的峰值亮度达到1X1032cm-2s-1。2005年，积分亮度达到1fb-1；首次在再循环环中观测到电子冷却反质子。2006年，反质子源聚积率首次超过20mA/小时。2008年峰值亮度超过3X1032cm-2s-1；在单个一周内发送50pb-1。

2011年1月11日，费米实验室宣布Tevatron将于2011年9月关闭。

2、超大型强子对撞机

费米实验室正在分两个阶段进行超大型强子对撞机的设计研究。第一个阶段，利用放在大周长隧道中的坚固超铁氧体磁铁，该对撞机的对撞能量达到40 TeV，亮度与西欧中心大型强子对撞机LHC的亮度一样。第一阶段的潜在科学目标完全实现后开始第二阶段的工作。在同一隧道中安装上高磁场磁铁，对撞能量至少达到175 TeV。

VLHC低磁场测试

为达到所需能量，第一个阶段所用的低场磁铁需要233公里长的隧道。虽然建造这样长的隧道面临工程量大、管理和公众接受的挑战，在技术上似乎没有什么不可能在大约6年时间里建成的理由，以便开始建造10年后对机器进行调试。磁铁简单设计的固有特性大大减少了支撑子系统的规模和复杂性：低温负载与现在的Tevatron相同；优良的注入场品质导致好的动态孔径及磁场中低的电感和存储的低能大大简化了电源系统。所有这些因数加在一起，降低了技术部件的造价和复杂性，弥补了建造长隧道所需要的费用。据估计，该对撞机的总造价与最近刚对TESLA设计中的500 GeV的直线电子对撞机的估算造价相同。

3、μ子对撞机

μ子对撞机

 

μ子对撞机示意图

μ子对撞机整套装置包括几台机器和许多不同的部件。为产生大量μ介子，利用强流质子加速器将质子引入靶。对撞产生称为p介子的短寿命粒子。在50米内，p介子衰变成为μ介子和称为中微子的中性粒子。μ介子的能量约为200 MeV。

磁铁使μ介子进入和通过一组高频腔。腔内的电场提高慢缪介子的能量，降低快μ介子的能量，从而减少它们的能散度，使连续μ介子流转换成为单个束团。在这一阶段，μ介子束团的尺寸仍然很大，当μ介子向稍微不同的方向运行时，束流仍然发散。

科学家正在开发电离散热通道，以减少μ介子束的横向尺寸。这些渠道减少粒子的横向速度和产生非常亮的聚焦束流，随时被加速到很高的能量。

高频腔是一个将μ介子加速到高能量的快速有效方法。每个腔形似拉成一条直线的珍珠项链。穿过这串珍珠或单元，是一个在正负之间振荡的电场。该振荡定时从单元到单元推拉带电粒子。

一旦μ介子达到它们的最终能量，它们便被注入到μ子对撞机。带正电荷的介子按一个方向穿过对撞机环，带负电荷的μ介子按相反方向运行。磁铁将粒子引到位于大型对撞探测器中心的对撞点。没有对撞的μ介子继续沿环运行，并在一转眼的功夫返回到碰撞点。

4、开创性加速器试验装置

费米实验室正在利用通过美国复苏与再投资法案得到的5270万美元的资金推进其超导高频研发项目，包括建造超导高频加速器试验装置。建造的I期工程始于2010年3月，用280亿美元扩建现有的建筑。II期工程投入420亿美元，用于建造两个新的建筑物。通过美国复苏与再投资法案得到的另外的资金用于运行建筑所需要的设备和基础设施。费米实验室利用这一装置测试超导高频部件和验证美国工业界卖方的加工能力。开创性试验装置的II期工程已经开始，以推进对下一代粒子加速器至关重要的技术。

开创性加速器试验装置占用三个建筑物，有一个460英尺长的试验加速器

费米实验室计划参与采用超导高频技术的加速器建造。建造这个新的超导高频试验装置是向前迈出的重要一步。这些结构在称为低温模块的罐内运行，使腔冷却到华氏-456度，可在零电阻情况下传导电流。计划利用这一装置来测试为所提出的两个未来粒子加速器而设计的低温模块。科学家还将利用粒子束加速器产生的粒子束流，开发和设计更好的工具和先进的加速器技术，使它们在许多领域，包括医学和工业得到应用。

5、加速器国际合作项目

（1）LHC加速器项目

1997年美国和欧洲官员签署美国参加大型强子对撞机的协议，负责设计和加工二分之一的MQX内超导三透镜组，设计和最后安装所有MQX磁铁，有关的校正磁铁和吸收体，并将仪器安装在低温恒温箱中。费米实验室的任务包括加速器物理计算，借以支持内三透镜组的设计，对这些磁铁的最终技术要求及系统集成提供意见。

为LHC制造的超导磁铁

（2）直线对撞机

美国SLAC，日本KEK和德国DESY都在开展未来直线对撞机的研究。费米实验室系SLAC的NLC和德国DESY的TESLA合作组的成员。2000年TESLA国际合作组向德国政府报告了TESLA设计报告，费米实验室领导一组美国实验室对设计报告的费用基础进行了分析。2001年NLC合作组对原理上主直线加速器高频回路所需基本部件进行了论证。费米实验室负责加工高频结构及领导支撑主直线加速器高频结构的支架预制研究。它从事整个直线对撞机中可采用的可调永久磁铁预制研究工作，还在土建和束流物理方面提供专门知识，是美国大力推动的在加速器方面开展直线对撞机预制研究的中心之一。

费米实验室对撞机物理组的任务是：对直线对撞机物理及其所需直线对撞机参数进行评估，弄清在大型强子对撞机时代直线对撞机对世界高能物理的贡献。

三、高能物理前沿和相关科学研究

费米实验室的研究集中在当代粒子物理以下几个主要问题上：为什么粒子具有质量；中微子质量是否来自不同的源；夸克与轻子的真正本质是什么；为何有三代基本粒子；真正意义上的基本的力是什么；如何将粒子物理和量子引力融合在一起；物质与反物质有何区别；把宇宙组合在一起的暗物质是什么；什么是促使宇宙膨胀的暗能量；在已知道的维数之外，是否还有隐藏的维数；地球是多维广义宇宙的一部分吗；宇宙是由什么组成的及宇宙是如何运作的？

未来几年在粒子物理上的发现将改变粒子物理的研究方向，而这些发现的最佳机遇则可能存在于费米实验室所开展的以下实验中：

1、高能物理实验

（1）CDF实验

Tevatron将质子和反质子加速到接近光速，然后让它们在CDF探测器中发生对撞。CDF探测器被用来研究质子与反质子发生对撞的产物。这样做旨在试图重建对撞中所发生的现象，最终了解物质是怎样组合在一起的，自然界利用什么力创造了我们周围的世界。

1985年10月13日，在质心能量1.6 TeV时首次观测到质子反质子对撞。

1994年4月26日，找到了顶夸克存在的直接证据。

1995年3月，CDF组和D0组在176 GeV的能量上发现了顶夸克，如此大的质量，出乎物理学家的预料。

1998年3月，CDF组发现Bc介子。

2005年，发现Bs 物质－反物质振荡：3万亿次/秒；发现 b重子（u-u-b和d-d-b）。

2007年，CDF宣布通过单个实验对W波色子质量的最精确测量结果。

2007年，发现 b重子（d-s-b夸克组合）。

2008年发现产生ZZ双波色子。　

（2）D0实验

D0探测器是1983年提出建造的，1984年获得批准。经过8年设计、研究、硬件及软件的建造与调试，于1992年5月12日第一次正式记录正-反质子相互作用，开始运行取数。

D0探测器长约19.8米，高和宽12.2米，重5500吨，超过12万道电子学信号。建造时由气体径迹室（顶点探测器、漂移室）、穿越辐射探测器、液Ar量能器、μ室、电子学及计算机软件、环形磁铁等组成，用以研究底夸克、量子色动力学、新物理现象及顶夸克的寻找等。

1994年4月，CDF组表示已有顶夸克存在的证据，但取数较晚的D0组认为尚未有足够的证据。1995年2月24日，D0组和CDF组同时交出论文，宣布发现顶夸克。1995年3月2日下午1点，费米实验室这两大实验组举行正式招待会，宣布顶夸克的发现。这是国际高能物理界的一件大事。

1995年3月8日，美国费米实验室所长John Peoples教授写信给中国科学院高能物理研究所所长，对高能物理所派往费米实验室的人员在发现顶夸克中作出的贡献表示感谢。信中写到：“十五年来，费米实验室和高能物理所之间的合作一直很重要。3月2日，CDF组和D0组宣布发现了顶夸克，即我们寻找了很久的这组基本粒子中的最后一种。在报告这一发现的D0组中，来自中国科学院高能物理研究所的科学家们有很突出的功劳。”

高能物理所与费米实验室D0组的合作由1989年起最初的民间协作，后正式列入中美高能协作协议，高能物理所陆续派出30余人年参加了D0组的合作研究。主要参加了μ探测器的建造、蒙特卡洛计算、硅探测器、光纤径迹室、在线程序、数据处理和部分物理分析工作。在D0组宣布发现顶夸克的文章中，高能物理所的8位访问学者参加了署名，列入了发现顶夸克的贡献者名单之中。但遗憾的是，在这世界最前沿最重大的发现之中，没能挂出中国国旗和亮出中国高能物理所的名称，8个人只能列在美国FNAL名下。D0组一直希望与高能物理所的协作能前进一步，成为有国名、所名的正式协作者。前提是，要有一定经费的支持，使其在国内也能为D0作一定工作，并能有维持双方学术交流所需的经费。1999年高能物理所D0合作组取得了最重要的进展，得到国家自然科学基金的支持，成为D0国际合作组的正式参加国，国旗及所名已正式列入D0国际合作组。

D0探测器的改进升级包括：硅条探测器、光纤径迹室、超导磁铁、μ前向探测器等高新探测器及技术将加入或替代探测器中旧的部分，2001年3月开始正式取数。新的D0探测器进行顶夸克的进一步研究、Higgs玻色子的寻找以及其它高能物理界的一些前沿课题研究。

D0组成为由来自15个国家、60个大学或研究所的500多名科学家和工程师组成的大型国际合作组。

2009年，D0组发现产生单个顶夸克；D0组宣布W波色子质量的最佳测量结果；发现新的夸克结构，命名为Y（4140）。　

（3）MINOS实验

主注入器中微子震荡寻找MINOS（Main Injector Neutrino Oscillation Search）是费米实验室NuMI中微子研究计划中的第二个实验。

NuMI计划是利用费米实验室Tevatron对撞机120GeV的主注入器向360米外的靶发射质子束流，靶上产生的次级p介子和K介子在飞行中衰变形成中微子束流。NuMI的第一个实验是COSMOS（Cosmological1y Significant Mass Oscillation Search），它安装在中微子靶前方的一公里处，用核乳胶来探测μ中微子振荡所产生的τ轻子。

MINOS的位置在中微子靶更前方的735公里——明尼苏达州苏丹（Soudan）矿井700米深的地下。这两个实验是在两个点上对同一中微子束流的特性进行对比，探测中微子是否已经变成另外一种，也就是τ中微子。

MINOS实验又称长基线实验，利用费米实验室中微子主注入器工程建造的设备，寻找具有极小质量被称为中微子的存在的证据。

费米实验室的主注入器作为MINOS实验的中微子源，实验的长基线从这里开始，探测器放在735公里之外的明尼苏达州北部原苏丹铁矿里。

参加MINOS实验的科学家们对从费米实验室出来的中微子和到达苏丹铁矿中的探测器的中微子的特性进行测量和比较。这两个探测器中中微子相互作用的特点之别提供不同类型的中微子震荡的证据，因此得出中微子质量。

NuMI实验示意图

苏丹铁矿已开采一个世纪之久，现在已成为一个旅游景点。矿洞上方的岩石对宇宙线起着屏蔽作用，只有中微子和少数能量很高的宇宙线μ子可以穿透到地下这一深度。1981年苏丹矿井就已成为寻找质子衰变的30吨重的探测器的安放地。多年以后，当初的寻找质子衰变的动机也逐步扩展到中微子物理，拦截外层空间的中微子或大气中宇宙线相互作用所产生的中微子。1993年建成了1000吨的Soudan2探测器。

MINOS是由中、美、英、俄二十多个研究单位近200位科学家组成的大型国际合作项目。他们长期从事中微子研究，并在从事中微子实验二十多年的费米实验室利用已有的中微子束等实验条件加以改进、组成这个新的实验。

1999年位于明尼苏达州苏丹的MINOS探测器破土动工。MINOS探测器安装在与Soudan2探测器相邻的山洞中，总重10000吨、总长50米，用厚4厘米、对径8米正八边形的磁化铁吸收体板与交替摆放的径迹室做成，能对μ子和强子以及中微子相互作用中产生的电磁簇射进行很好的能量测量和模式辨认。2003年，远处的MINOS探测器开始取带宇宙线的数据，开始寻找低温暗物质。2005年第一个中子束流从费米实验室发送到明尼苏达。2006年MINOS组报告Dm2的第一次测量结果。

MINOS远程探测器

（4）MiniBooNE实验

该实验通过寻找中微子震荡来测量中微子质量。中微子的质量很重要，因为它可使科学家们发现超出标准模型的物理。MiniBooNE实验可获得的质量，将增加对宇宙是如何演变的了解。

MiniBooNE位置图

MiniBooNE实验于1998年获得批准。MiniBooNE探测器放在距离μ介子中微子生成点约500米的地方，其任务是寻找μ介子中微子产生的电子中微子。iniBooNE使用1个装满800吨超纯度矿物油的直径12米的罐形油箱，至今这些矿物油比水还清澈。油箱内装有一个由1280个8英寸光电倍增管组成的感光层，可探测到中微子与油箱内的油分子碳原子核之间的碰撞情况，每年能记录1百万个中微子事件。2002年11月探测到第一批束流感应中微子事例。

2007年4月11日MiniBooNE实验公布了首次发现，实验的观测结果解决了困扰中微子物理界10多年的难题，即20世纪90年代液体闪烁器中微子探测器（LSND）观测实验时提出的难题，那次观测似乎同全球其它地区中微子实验的观测结果相矛盾。MiniBooNE实验最终确定：LSND的观测结果不能归因于简单的中微子摆动效应。所谓的中微子摆动效应是一种中微子转换现象，即一种类型的中微子转变为别一种类型的中微子，然后又恢复为原来的类型。尽管MiniBooNE实验果断排除了LSND观测结果的解释，但还有很多工作要做，需进一步分析他们的数据。

2006年1月起，MiniBooNE利用反中微子光束采集数据，期待从这些新数据中得出更多的结果。

　

MiniBooNE探测器示意图

MiniBooNE实验观察到的中微子信号

费米实验室最新的中微子实验称为SciBooNE，它与MiniBooNE一样安装在中微子束流线上，但具有更精密的跟踪能力。

SciBooNE示意图

（5）MINERvA

MINERvA利用费米实验室NuMi光束线开展中微子散射实验，旨在测量低能中微子相互作用，支持中微子振荡实验，还研究影响这些相互作用的核子和原子核的强动力学。

MINERvA探测器

2010年3月，MINERvA完成和建造NuMi 近探测器大厅中的模块。2010年秋，安装最终的核靶，正在收集中微子核反中微子相互作用事例。实验物理学家们非常激动地朝着取得第一批成果努力着。

（6）BTeV实验

BTeV实验的目的在于向标准模型对CP破坏，b夸克和粲夸克态的混合和稀有衰变的解释提出挑战。几十年来，标准模型一直是基本粒子物理的理论。BTeV实验就是要寻找超出标准模型的物理，其实验结果还会解释与早期宇宙有关的现象，如为什么宇宙是由物质而不是由反物质组成的。参加这一国际合作的有来自6个国家30个单位的170名科学家，他们利用Tevatron质子-反质子对撞机开展BTeV实验。2006年进行设备安装，2008年调试完毕，2009年开始取数据。

BTeV探测器布局

（7）CMS合作实验

费米实验室是美方参加大型强子对撞机LHC上CMS实验国际合作的牵头单位。CMS有一个磁场强度4T的超导电磁铁，长13米，直径为5.9米。CMS的径迹探测器、电磁量能器和内部强子量能器全都装在超导螺线管内。围绕中央径迹探测器的电磁部分将由钨酸铅晶体做成。强子量能器围在外面，中央桶部内径1.8米，端盖厚1.8米，μ探测系统由桶部和端盖两部分组成。费米实验室具体负责端盖μ子系统和电磁量能器的设计、加工。　

CMS量能器

（8）CKM实验

CKM实验是在费米实验室开展的一个固定靶实验，旨在测量稀有带电K介子标准模型衰变K+→p+ n`n的分支比。

CKM探测器布局

2、天体物理实验

（1）皮埃尔·奥格宇宙线观测站（Auger Observatory）

皮埃尔·奥格宇宙线观测站（Pierre Auger Observatory）1999年在南半球阿根廷的Mendoza省建造，2008年建成。设计要求在北半球也建同样的一个观测站，就可观测几乎整个天体。如果宇宙源可由到达方向上的簇团辨认，那么该观测站就能研究具有相同灵敏度的宇宙线源的特性，不管宇宙线源在天空何处。另一方面，如果没有发现分离的源，几乎均匀的全天覆盖对确定宇宙线到达的方向是否为各向同性，或由难解的大尺度模式描述其特性极其重要。2007年该站宣布观测到超高能不均匀分布。参与这一项目的有阿根廷、巴西、玻利维亚、墨西哥、美国、德国、法国、意大利、波兰和越南等17个国家的250名科学家。

皮埃尔·奥格宇宙线观测站示意图

（2）寻找暗物质（CDMS）的低温实验

低温暗物质搜寻计划CDMS（Cryogenic Dark Matter Search）最初在斯坦福大学校园内一个隧道内进行。CDMSII安置在美国明尼苏达州苏丹矿井地下714米深处的一个极其敏感的探测器，从2003年开始利用低温锗和硅探测器来探测弱相互作用暗物质。为了防止太空中其他各种粒子对探测器的干扰，矿洞起到屏蔽作用。当暗物质粒子击中探测器中的一个原子核时，就会引起原子核摆动。

CDMS研究组由来自18个研究所的研究人员组成，接受能源部、国家自然科学基金委、加拿大和瑞士的国外资助局以及成员单位的资助。费米实验室参加了此项研究。

安装在低温恒温器中的CDMS探测器

CDMSII使用5组探测器，每组探测器包含着6个超纯锗或硅晶体，温度处于零下233摄氏度，这些仪器通过寻找粒子碰撞锗或硅晶体核释放出的能量，探测暗物质粒子。

2009年12月末，CDMS发表声明称，已经捕获到两个暗物质粒子击中探测器中的原子核。因仅有两个信号，还无法完全确定探测到的信号究竟是由暗物质粒子还是由其他粒子引起的，得到的结果尚有待进一步证实，但是它还是引起了科学界的轰动。CDMS将继续进行他们的实验以期发现更多实质性的信号。

为了增加探测的灵敏度，CDMS要升级为Super CDMS，比现在的探测器重3倍，而噪音水平更低。为了在寻找暗物质的过程中尽量消除宇宙射线的干扰，实验地点也有可能会转移到加拿大安大略省的SNOLAB地下2000米深处进行。　

（3）芝加哥地下粒子物理观测站（COUPP）

芝加哥地下粒子物理观测站COUPP（Chicagoland Observatory for Underground Particle Physics）是在费米实验室地下MINIOS近探测器大厅里的一项实验（简称E961），以证明作为暗物质探测器的一个30公升，60 公斤，重质液体的室温泡室性能。

COUPP实验的小泡室

（4）斯隆数字化寻天（SDSS）

斯隆数字化寻天SDSS（Sloan Digital Sky Survey）是系统地将整个天空的四分之一测绘出来，形成一个详细的图像，确定一亿多个天体的位置和绝对亮度，还测量一百万个距地球最近星系的距离，通过比到现在所探测过的大100倍的体积，给出宇宙三度空间的图像。它还记录10万个已知最遥远的类新星距地球的距离，提供前所未有的物质分布到宇宙可见边缘的启示。

SDSS系统地观测很大部分的天空，寻天对天文学的研究，包括宇宙的大结构、星系的起源及演变、暗物质和发光物质之间的关系、银河系的结构以及形成太阳那样星体的宇宙尘埃的特性和分布，将产生巨大影响。

1998年，SDSS观测获得第一个光。2000年4月13日，SDSS宣布观测到距离地球270亿光年的类星体。费米实验室的科学家们参与管理和分析大量的数据。这些天体物理方面的研究补充了费米实验室寻求了解宇宙结构和演变方面的努力。

2005年二期工程开始，称为SDSS-II。2006年，SDSS-II发现139个新型1a超新星。2007年，SDSS-II发表约2.87亿个天体包括197个类型的1a超新星的图象。2008年7月完成了观测，包括3个补充项目。遗产巡天完成了原始的SDSS星图，覆盖半个北天天空，确定了数亿个天体的位置、亮度以及颜色，并测量了100余万个星系和类星体的距离。SEGUE（斯隆银河系探索扩展）测绘了银河系的结构以及恒星组成。超新星巡天沿天赤道重复扫描一个条带状天区，以图发现并测量超新星以及其他变源，探索宇宙的加速膨胀。这三项巡天都是用新墨西哥州阿帕奇角天文台2.5米望远镜上的专用设备完成的。

阿帕奇山顶天文台的2.5米口径望远镜

SDSS的测光望远镜

SDSS以及SDSS-II的资金由阿尔弗雷德·P·斯隆基金会及参与机构提供，参与机构包括美国国家科学基金会、美国能源部、美国宇航局、日本文部科学省、马克斯—普朗克学会，以及英国高等教育基金委员会。SDSS由参与机构的天体物理研究联盟管理，20多个参与机构有美国自然历史博物馆、波茨坦天体物理研究所、巴塞尔大学、剑桥大学等，费米实验室与中国科学院（LAMOST）均为参与机构。

（5）暗能量测量 (DES)

暗能量测量的目的是，通过高精度测量140亿宇宙膨胀的历史，查明加速宇宙的起源和帮助揭开暗能量的性质。来自美国、巴西、西班牙、德国和英国23个科研机构的120多名科学家正在进行该项目的研究。该合作正在造一台极为敏感的570万像素的数码相机DECam，并将其安装在智利安第斯山脉高处Cerro Tololo美洲天文台的Blanco 4米的望远镜上。2011年底开始，连续五年，DES将测量南部大片的天空到浩瀚无边的距离，以提供这个最根本问题的新的线索。

费米实验室DES合作组设计的DECam示意图

3、未来的实验

（1）NOvA实验

科学家们认为在宇宙演变中中微子起了主要作用，贡献的质量多如恒星和行星。NOvA实验研究中微子的奇怪特性，特别是中微子难以捉摸地转换为电子中微子。

NOvA示意图

NOvA实验使用两个探测器：一个是在费米实验室的222吨的近端探测器，另一个是在美、加边境南部明尼苏达州的更大的一台1万5千吨的远端探测器。这些探测器是由385000个挤压成型的高反射PVC塑料单元组成，充满闪烁液体。远探测器中的每个单元宽3.9厘米，深6.0厘米，长15.5米。当中微子击中闪烁液体中的原子时，引起带电粒子的爆发。当这些粒子在探测器中停止移动，它们的能量被用光纤连接的光探测器收集。根据光电探测器看到的光的图案，科学家们能够确定造成什么样的中微子的相互作用以及它们的能量。该实验将在2013年开始取数据，2014年1月完成建设，计划第一轮运行6年。

NOvA远端探测器示意图

（2）MicroBooNE 实验

该实验将建造和运行一个位于增强器中微子光束线中约100吨重的大型液氩时间投影室（LArTPC）。该实验测量低能中微子横截面，研究由MiniBooNE实验所观测到的低能额外事例。探测器作为阶段性项目，是建造大型千吨重（LArTPC）探测器的必要的一步。该实验于2007年10月向费米实验室项目顾问委员会提出，2008年7月实验的第一阶段获得批准。

MicroBooNE探测器示意图

（3）长基线中微子实验（LBNE）

中微子可能是找到对宇宙本质最根本的一些问题答案的关键。发现中微子有微小质量打开了非常成功的粒子物理标准模型的第一个裂缝。物理标准模型假设这些神秘莫测的粒子根本就没有质量。

物理学家们认为，中微子可以对一些令人费解的标准模型未解决的问题提供答案。特别是，它们之间的相互作用可以解释为什么物质丰富，而反物质在宇宙中消失。

长基线中微子实验旨在找出是否是这种情况。通过将世界上最高强度的中微子束流从费米实验室发送1000多公里，直接通过地球到有史以来建造的最大的粒子探测器，来探索该中微子束流的相互作用和转换。该探测器可安装在所建议的位于南达科他州的地下深部科学与工程实验室（DUSEL）。DUSEL将是世界上最深的地下实验室，并会屏蔽宇宙粒子对LBNE中微子探测器的影响。

LBNE示意图

4、发展新技术

（1）项目X

项目X是所提出的一个强流质子加速器联合体，它可为各种物理项目提供束流，为各种实验提供不同的能量的粒子。质子可以加速，以形成一个高强度的中微子束流，用于如NOvA和长基线中微子振荡实验这样的中微子实验。同时，项目X可以提供质子给基于K介子和m介子的精确实验。其他应用正在研究中。超导加速器将包含在设计上类似今后轻子对撞机的超导高频部件。

（2）ILC超导高频腔

对下一代粒子加速器和粒子物理未来来说，超导高频腔是一项关键的技术。

超导高频腔能提高粒子加速器的束流能量水平，同时通过消除电阻最大限度地降低所有电力的使用。将来对宇宙起源和物质性质的实验，包括所提国际直线对撞机和X项目，这两个项目费米实验室都希望能作为东道主，将需要先进的超导高频腔技术。

超导高频技术是一种加速粒子束流的高效方式。它由超导金属铌组成单元，并像空心珍珠串在一起。这些单元以所有可能的方式进行抛光，不带一粒灰尘或在形状上没有丝毫差别。几个腔安放在被称为超导加速单元的容器内，超导加速单元在液态氦中进行冲洗，并保持在超冷温度下，这对它们的运行和效率是关键。

研制中的超导高频腔

费米实验室计划采用超导高频技术制造项目X加速器的部件。项目X的超导高频腔设计类似于费米实验室的测试加速器和拟建的国际直线对撞机所采用的超导高频腔设计。

四、带动新技术发展

对知识的追求推动着费米实验室的科学研究。研究中所获得的新的知识将对人类的生活方式产生深刻的影响。例如：如果100年前没有发现电子，当今的电子世界是完全不可能实现的。

1、核磁共振

近年来的磁共振成像技术来源于Tevatron超导磁铁大开发。费米实验室在20世纪70年代建造Tevatron时首次研制出超导线和电缆组成的大功率磁铁。为建造Tevatron，费米实验室将超导、物理、工程、材料科学和加工方面的专家组合在一起。他们的合作使超导磁铁技术在核磁共振成像产生的新的诊断能力方面充分发挥作用。新一代超导磁铁会使物理学们拥有功率更大的加速器，以揭开宇宙最深的奥秘。新一代高磁场超导磁共振成像磁铁将有助于揭开人体的奥秘。

费米实验室的超导磁铁

2、同步辐射

同步加速器运转时，带电粒子沿切线方向释放出电磁辐射，故而损失能量，该能量以光的形式释放出来。在许多领域的应用研究中，X射线是必不可少的工具，如生产集成电路，研究Lou Gehring疾病的基因和爱滋病病毒复制酶。

3、高能物理 – WWW的诞生地

最初，高能物理实验室的科学家们将其作为与国外同事开展合作的工具，后来发展为应用于全世界的WWW网。高能物理为现代技术做出了重要贡献。

4、医学应用

1895年末发现X射线后，医学家们开始用伦琴（Wilhelm Roentgen）新光治疗无数疾病。到1896年1月，芝加哥的Emil Grubbe已治疗两个癌症患者，论职业，他是一名电工和冶金学家。1931年，当Ernest和John Lawrence用他们新建的回旋加速器产生的粒子束治疗他们母亲的癌症时，他们正在试验其它形式的辐射。

粒子物理研究对计算机辅助层面X线照相术、磁共振成像、正电子断层照相和癌症治疗做出了贡献。在费米实验室，科学家们利用美国国立癌症研究院提供的经费开发费米实验室直线加速器的用途，用中子束治疗癌症病人。25年来，有3000多位癌症患者接受治疗。1995年后，Provena Saint Joseph医院负责管理在费米实验室的中西部中子治疗研究所，治疗来自全美国的癌症患者。另外，在Loma Linda大学，每天有约100位病人接受费米实验室建造的同步加速器的治疗。

五、丰硕成果

1、建成世界上最大的质子反质子对撞机

费米实验室成功地运行了当时世界上能量最高的粒子加速器和仅有的质子反质子对撞机Tevatron。来自美国和国外大学的粒子物理学家利用它开展高能物理研究。

2、加速器预制研究具有独创性

国际上公认费米实验室在加速器预制研究方面具有创新性，这是发展更先进的加速器理论的基础。新的加速器理论会导致研制出新型加速器，以回答有关物质、空间和时间色基本问题。

3、超导磁铁的研究、设计与开发

费米实验室在成功开发超导磁铁，提高质子加速器能量所需的基本技术方面处于世界领先地位。

4、探测器开发

费米实验室的CDF和D0探测器是当时最大的粒子探测器。技术上的进步，例如硅探测器等，使世界上最大的显微镜的性能得到改进，以开展未来的实验。

5、高性能计算

为记录和分析粒子物理中产生的数据，费米实验室缩小了计算的限度，为美国下一代计算机地发展做出了重要贡献。费米实验室被公认为在处理大量数据方面具有经验，首建并行计算机取得成功，并愿意尝试在技术上具有风险的新方向。

6、医用加速器

费米实验室建造了癌症治疗中心使用的粒子加速器。费米实验室的直线加速器产生中子束流，供中西部中子治癌研究所使用。从1976年开始，共治疗300多位癌症患者。美国加州Loma Linda中子治疗中心有一台费米实验室1988-1989年建造的质子加速器，运行的10年中，该中心共治疗了6000位癌症患者。

7、物理实验中的重大发现

1977年6月30日，宣布发现底夸克；

1994年4月26日，宣布顶夸克的第一个直接证据；

1995年3月3日，CDF和D0合作组的实验人员宣布发现顶夸克；

1996年11月18日，观测到反氢原子；

1999年3月1日，在中性K介子中观测到直接的CP破缺；

2000年4月13日，斯隆数字化巡天在红移5.8观测到最遥远的物体；

2000年7月20日，DONuT实验报告直接观测到t中微子的第一个证据，从而开启了物理研究的一个新时代；

2001年11月7日，NuTeV合作组报告Sinqw异乎寻常的高值为0.2277；

2005年7月9日，首次在再循环环中观测到电子冷却反质子；

2006年1月12日，斯隆数字化巡天－II报告发现139个新型1a超新星；

2006年9月25日，发现Bs 物质－反物质振荡: 3万亿次/秒；

2006年10月23日，发现 b重子（u-u-b和d-d-b）；

2007年1月7日，CDF宣布通过单个实验对W波色子质量的最精确测量结果；2007年6月，发现 b重子（d-s-b夸克组合）；

2007年6月28日，SDSSII发表约2.87亿个天体包括197个类型的1a超新星的图象；

2007年11月8日，Pierre Auger天文台观测到超高能不均匀分布；

2008年3月30日，发现产生ZZ双波色子；

2009年3月9日，发现产生单个顶夸克；

2009年3月11日，D0实验室组宣布W波色子质量的最佳测量结果；

2009年3月18日，发现新的夸克结构，命名为Y（4140）。

六、获奖

1、1973年Robert R. Wilson获得国家科学奖章；

2、1986年Stanley Livingston获得Enrico Fermi奖；

3、1984年12月Robert R. Wilson获得Enrico Fermi奖；

4、1988年10月19日Leon Lederman为1988年诺贝尔物理奖三个获得者之一；

5、1989年10月18日Helen Edwards, Dick Lundy, Rich Orr和Alvin Tollestrup因在建造万亿电子伏特加速器中的工作获得国家技术奖章；

6、1992年6月Leon Lederman获得Enrico Fermi奖。

(中国科学院大科学装置办公室,资料来自http://www.fnal.gov/)