汉堡市的地下隧道

HERA的土木工程任务繁重。地下要挖掘4个大厅，每个大厅有7层楼深。在大厅之间，激光控制的钻孔机HERAKLES弯曲地穿过汉堡地下10-25米深的沙土。该钻孔机直径6米，长度与铁路和地铁隧道中使用的大型钢钻一样。在地下要挖掘安装两个HERA加速器的整个6。3公里长的隧道。在对人员和财产没有危险的情况下，HERAKLES钻孔机从居民区和商业区，道路和公园的地下钻过，1987年8月19日到达HERA南大厅。从该大厅相反的方向出发，经过整整28个月的钻孔，隧道的挖掘工作完成，偏差只有2厘米，也就是说，完全在允许误差10厘米的范围内。在通过赤野（Bahrenfeld）生活区，各种居住和商业区，以及汉堡大众公园地下时，大约挖出180000立方米的土。（左图为签署HERA建造经费协议）

汉堡地下隧道里的HERA加速器

强子-电子环加速器（HERA）是汉堡DESY最大的加速器，1992年开始运行。HERA是世界上第一台，也是唯一的使两种不同类型的物质粒子，即质子和电子发生对撞的储存环装置。它有两个环型加速器，每个长6.3公里，安装在地下隧道里。其中一个将电子加速到27.5 GeV，另一个将质子加速到920 GeV。电子和质子在两个环的真空管内一连数小时按不同的方向运行。因为运行的速度几乎接近光速，所以粒子沿着HERA环每秒飞行大约47000次。（左图为DESY 的加速器）

HERA的两个加速器

 HERAKLES完成HERA南、西大厅之间的第一段隧道后，安装人员接手，先装电缆和水管，然后是照明和通风系统，接着是电子储存环的第一批磁铁。1978年8月，当HERAKLES再次到达起始点时，电子加速器将近一半已经安装完毕。一年之后，该加速器加速了第一个电子束流。然后是最关键的部件，即建造用新研制出来的超导磁铁及其复杂氦冷却系统的质子加速器。总的说来，德国和意大利的公司约向DESY交货650块超导磁铁。这些磁铁在磁铁测试大厅平均停留80小时，然后再安装在隧道中的电子环上。最后一块质子磁铁于1990年9 月19 日就位。1991年4 月14-15日夜，HERA组首次成功地将质子储存在机器里。1991年10月19日，HERA首次实现电子质子对撞。（右图为建造HERA）

HERA实验

探测器每个大小如一座楼，位于地下7层楼深处。物理学家们利用这些大型装置研究物质的最小组成部分。前两项实验于1992年启动：H1在北大厅，ZEUS在南大厅。两个实验都用来研究高能质子电子对撞–即研究提供质子内部发生过程有关信息的事例。第三个实验HERMES在东大厅。从1995年开始，HERMES便利用HERA的电子束流追踪质子自旋的起源，也就是说，它固有的角动量。在西大厅，HERA-B实验从1999年一直都在用加速器的质子束流，直到2003年2月。 （右图为H1探测器）

HERA敏锐的眼睛

HERA探测器的确像功能极大的照相机那样工作：里面布满了成千上万个电子学部件，这些探测器有3层楼高，重如半个艾菲尔铁塔，每秒能够记录1000万个图像，每秒电子学自动从数据库中挑选10个最佳图像。在HERA正常的运行年份，仅是H1和ZEUS实验粒子对撞的图像就有一亿个被储存起来，所有这些图像都要进行精确地分析。分析这两个实验记录下来事例的是两个国际合作组的约400名物理学家，他们来自12个国家50个研究所。（左图为ZEUS 组的科学家）　　

HERA上开展的研究  

H1和ZEUS实验–用电子探索质子

当与质子对撞时，点状电子像一个小的探头，对质子内部进行扫描。更具体地讲，它穿透质子，碰到质子的一个组成部分-夸克。夸克从质子中撞出，变成一个新的粒子喷注，这些新的粒子沿着电子和质子的碎片向所有方向散射。这些粒子在探测器中留下的轨迹使物理学家们就质子内部发生了什么变化得出结论。因此，HERA可视为“超级电子显微镜”，它提供世界上质子内部最清楚的图像。HERA实验对质子内部详细情况的分辨率比以前其他可能的实验精确10倍。这使物理学家们可以了解比质子本身小2000倍的结构，也就是说，小到5×10^-19米。（左图为H1-事例，右图为电子和质子对撞）

质子的基本组成部分

约30年前，物理学家们发现质子由3个夸克组成，这些夸克由强力组合在一起。该种力的载体胶子，或中介粒子于1979年在DESY发现。在极短时间内，胶子可分离为由夸克和反夸克组成的对。同样，这些夸克和反夸克又可生成胶子，等等。这样，发现质子里面有时隐时现的夸克，反夸克和胶子气泡“海”。如H1和ZEUS实验所示，质子内部的变化远比以前人们认为的剧烈得多。HERA的物理学家们已经发现比期望更多的夸克，反夸克和胶子。现在证明，越仔细看，看到的粒子越多。夸克、反夸克和胶子形成质子内部很浓的“汤”。理论和实验物理学家现正加紧工作，以便找出食谱。（左图为质子的内部情况）

自然界的基本力

4种基本力支配着世界：引力、电磁力、弱力和强力。引力使苹果从树上掉下来，星球沿着太阳转。电磁力使电子和原子核组合在一起，形成原子，并从墙壁插口提供电流。弱力来源于太阳的核聚变和原子核放射性衰变。强力使质子中的夸克和胶子，原子核中的质子和中子组合在一起。这些力（相互作用）通过特定的交换粒子发送：电磁力通过光子，又称光量子发送；作用于夸克之间的强力由胶子发送；弱力通过电荷为中性的Z粒子和带正负电荷的W粒子发送；引力靠没有质量尚未发现的引力子发送。今天，物理学家们假定大爆炸后不久，整个宇宙仍然是一个能量高的难以置信非常小的“火球”时，一个单一的原始的力在控制场面。粒子加速器上的实验使我们能够在最小的距离研究这些力和粒子。在HERA储存环装置上，质子提供了一个理想的精度非常高研究自然界基本力的“微型实验室”。（右图为自然界4种力的示意）

力的统一

H1和ZEUS能够表明：在自然界的4种力中，有两种力正好是一个单一力的不同方面。电磁力和弱力在强度上通常不一样。顾名思义，弱力在低能时比电磁力弱的多，但在HERA高能对撞时，它们变的一样强。因此，H1 和ZEUS两个实验能够提供两个力来自同一起源的直接证据。HERA实验使物理学家们能够直接观测高能时这两种力是如何合在一起成为弱电力的。这一组合代表着向自然界4种基本力大统一迈出的第一步。（左图为弱电统一示意） 

强力有多强?

H1和ZEUS实验已经使物理学家们能够精确地测量作用于夸克之间强力的强度。首次，一个单个实验不断地表现出在广泛的能量范围内该种力的强度的变化。此外，其它的力相反也是一样：夸克彼此间靠的越近，越能自由移动。它们彼此间离的越远，把它们吸引在一起的强力拉力越强。在很多方面，强力都像个橡皮筋。这些结果强有力地确认了理论上的预言：远距离时，强力的强度提高。（右图为强偶合常数）

HERMES实验和质子自旋

正像地球一样，核子，也就是说，原子核里的质子和中子沿着它们的轴旋转。换句话说，它们具有自旋。这一现象仍然困惑着物理学家们。因在20世纪80年代中，物理学家们发现了核子的3个基本组成部分 – 价夸克 – 仅约占核子自旋的三分之一。其余的三分之二来自哪里？所以在HERA上就搞了HERMES实验来解决这一问题。实验中，科学家们观测从HERA储存环来的高速运动的电子与充满气体的室中的原子对撞时发生的情况。实验中一个非同寻常的情况是，来自HERA和气体原子的电子的自旋按一个特定的方向定位。如果对撞的频率和类型取决于这一排列，那么被观测的粒子反应就会提供质子自旋实际来自哪里的一个清晰的图像。（左图为HERA隧道中的激光极化计）  

胶子自旋

今天，很明显，组成质子或中子的价夸克不能单独解释自旋现象，因为核子也由夸克，反夸克和胶子整个“海”组成。所有这些处于不断运动中的亚原子粒子都具有自旋。因此，为了正确理解核子自旋，必须先确定它的每个组成部分所做的贡献。这里，HERMES实验可助一臂之力。该实验有一个特别的方案，能够使物理学家们分别对每种不同类型的夸克所做的贡献到总自旋进行测量。另外，HERMES也提供了胶子自旋第一个直接的证据。该实验到目前为止所获得的结果表明，夸克海对核子的总自旋做出很小的贡献。另一方面，胶子相应地做出更为重要的贡献。（右图为质子自旋）

HERA-B – 在极其严格的条件下取数据

HERA-B实验利用HERA质子束流。质子打很细的铝丝靶，产生级联粒子，包括少数几对由重夸克组成的粒子，它们的衰变被HERA-B探测器记录下来。HERA-B实验的原来目的是研究宇宙为什么主要由物质组成，尽管大爆炸中产生的物质和反物质数量相同。在实验上，对B介子的CP破坏进行测量。（左图为HERA-B 靶）  

日本KEK和美国SLAC建造了专门的正负电子储存环（又称B工厂），每个都有台探测器。DESY决定利用HERA的质子束流，并建造HERA-B探测器。建造HERA-B探测器在技术上是个挑战，因为与以前的正负电子探测器相比，HERA-B没有样机。因此，必须开发和测试崭新的探测方法。这特别意味着到目前为止前所未有的抗辐射的探测器部件，和每秒要处理相当通过德国电讯整个网络信息量的电子学数据获取系统。很明显，在2000年两个B工厂的实验很快达到目标，所以HERA-B组决定利用他们的探测器研究其它的物理问题。但所取得的进展是为将来实验所做的开拓性的工作，即CERN 正在建造的LHC的实验。2001年HERA-B开始了新的物理计划。探测器在2002年11 月至2003年2月成功地记录了3.5亿个高能质子对撞“事例”。这标志着HERA-B取数据结束，合作组将集中全力进行数据分析，重点放在涉及强力的问题上，例如从粲夸克来得粒子是如何在原子核内部产生的，在原子核里如何与其它物质相互作用。故HERA-B数据使物理学家能够接触到以前其它实验不能达到的领域。（右图为HERA-B 量能器）

“超级电子显微镜”探索质子的心脏

电子和质子在HERA加速器内对撞时，电子像一个小的探头对质子的内部结构进行扫描。粒子对撞的能量越高，物理学家对质子看得越深，揭示的细节越详细。为取得这些高能对撞，两种类型的粒子需要分别加速，然后发生对撞。这一方案需要两种特殊的加速器，每种加速器就其本身在技术上都是一个挑战。以前向来就没人试图建造这样一个装置。直到那时为止，DESY都把经历放在正负电子物理上，因此要建造质子加速器完全没有经验。但一切都做到了：HERA于1984年4 月6 日正式批准，1990年11月8日庆祝如期完工。在庆祝仪式上，汉堡科学参议员Ingo von Münch教授谈到财政上取得的巨大成功，因为尽管在技术上存在着巨大的挑战，HERA组还是成功地按期完工并未超过预算。（左图为HERA 隧道）

高技术，低温度

如果在高能时要引导HERA内沿轨道运行的质子围绕装置的曲线运转，强大的磁场是重要的。事实上，这些磁场必须是使用正常轭铁和铜线圈所获得的磁场的3倍。产生这样强磁场唯一切实可能的办法是借助超导 – 所选择的材料具有在极低温时没有任何损耗的导电能力。DESY开发的HERA质子环的650块超导磁铁的设计立刻取得成功，同时在世界范围内被采纳。HERA超导磁铁的工作温度为-269⁰C。为使6。3公里长的HERA里的东西适当的冷却，DESY于1986年建造了当时欧洲最大的冷冻系统。在2500米²的厅内，氦气被冷却直到凝固成固体。然后液氦被注入到HERA环里，从磁铁流过，使磁铁降到工作温度。就欧洲的工业而言，建造HERA意味着一个独特的机会。公司第一次有机会大规模地获得超导和低温技术的机会。（左图为冷冻厂）

"HERA模式" 的国际合作

建造HERA是一个大型的国际合作，共有11个国家参加了建造，在粒子研究历史上属于首次。以前，在国际合作的框架下建造大型探测器很普遍，建造加速器本体则是本研究所自己的责任。但是，国际上对HERA的兴趣非常之大，法国、意大利、以色列、加拿大、荷兰和美国的研究所提供了装置的主要部件和为主要部件支付费用，或进行重要的测试。英国、波兰、捷克斯洛伐克、中国和前德意志民主共和国及德意志联邦共和国的研究所派专家协助工作。有不少于45个国外研究所和320家公司（合同金额超过25，000欧元）参加了这一工程的建造。HERA所须经费20%以上来自国外，HERA实验约60%的经费也来自国外。这种“HERA模式”的国际合作非常奏效，现在已成为大型国际研究项目的榜样。（右图为HERA研究运行开始仪式）

改进后的HERA加速器

 2001年7月29日，HERA开始重新运行。加速器的改进刚好用了9个月，目标是将“对撞率”提高4倍。功率的提高可使研究人员接触稀有过程，增强HERA研究粒子和作用于粒子之间力的能力。将来的计划不仅包括研究质子的结构，而且还包括研究基本力的特点和寻找新的粒子和力。（左图为"HERA 轨道车"在运行中）

高“对撞率”的高技术

2000年9月至2001年5月中旬，共有120名技术员、科学家和工程师从事HERA改进工作。共有480米长的真空系统需要更换，接近80块磁铁要重新设计安装，每块长1到4米，重达7公吨。在粒子束流对撞之前，新的磁铁能立刻降低它们的截面。HERA加速的束流将集中在以前它们截面的1/3上 – 从0.01cm2到0.003 cm2。这一精度水平要求对两个对撞区进行完美的安排，这就大大提高了HERA加速器中被加速的电子和质子实际上发生对撞的几率。因此，粒子物理学家们能够以足够高的频率来观测稀有过程，使观测获得满意的结果。然而，大量令人厌烦的过程也会增加。因此，HERA探测器在技术上也要改进，以便它们能够更快更有效地评价哪些粒子的相互作用是真的有意义。另外一次改进将开辟很有希望的研究前景：不仅HERMES实验，而且H1和ZEUS实验都能够用极化电子进行实验。为此，HERA南、北两区都配有自旋旋转器 – 复杂的磁铁系统使电子的自旋向其飞行的方向转动；用技术术语讲，就是粒子将“纵向极化”。（右图为HERA改进后的磁铁）

"HERA II"要解决的问题

 在HERA上开展的地二阶段的研究中，可充分利用“超级电子显微镜”的极高分辨率。事实上，在最高分辨率的范围内，粒子对撞比较稀少。但是，由于对撞速率的提高，在这一特别的区域会有更多的事例，从而在对超出粒子物理流行理论标准模型事例特别敏感的范围内，取得更精确和统计上更坚实的结果。到2006年6 月，HERA II将进行物理运行，富有吸引力的物理计划会发现标准模型内和超出标准模型的问题答案：

夸克真是基本粒子吗?

HERA现在的研究清楚表明，质子由许多夸克和胶子组成。随着HERA对撞速率的提高，可以高精度地研究它的结构，精度可到比质子本身小1000倍的尺码。这样，科学家们就可找到像夸克这样的粒子是否有一个亚结构，因此可能根本就不是我们认为的基本粒子的答案。

强力如何起作用？

几年来，HERA实验H1和ZEUS都对强力进行了精确的测量。强力负责把质子内的夸克和胶子组合在一起，把原子核内的质子和中子组合在一起。实验能够证明：与电磁力相比，这种力的偶合强度随着粒子间距离的增加而增强，但电磁力的偶合强度则随着粒子间距离的增加而减弱。因HERA的功率提高，即使是在极短粒子距离，也可更深入地研究强力令人迷惑不解的特点。根据HERA的测量，胶子和夸克-反夸克对在质子内部不断地出现和消失。胶子和夸克的高密度是强力的一个崭新的方面，至今未怎么研究过。它可能负责使夸克和胶子“锁定在”质子里，永远不以自由电子出现。

能看到一些新东西吗?

寻找粒子物理中崭新的现象非常具有刺激性。的确有一些“新物理”的苗头，像在HERA上观测到的一些不完全符合现在物质理论的对撞事例。随着HERA对撞速率的提高，通过检查意外的事例数是否不在增加或相反降低，直到效应又在“随机噪音”中消失，物理学家们能够将有用的数据从干扰信号中分出来。HERA新的数据或能令人信服地验证对物质世界的认识，或对物质世界提出新的观点 – 像找到未发现的粒子，或甚至找到现在仍然未知的一种自然界的基本的力。 

（高能所科研处制作 侯儒成编译）