粒子探测绪论讲解
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实验观测仪器和粒子探测器的发明和发展，使对 物质世界的探索逐步走上现代实验科学的轨道
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
13
客体尺度与观测手段
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
14
光学显微镜不能研究原子的内部结构 !!!
量子力学告诉我们粒子具有波动性，波具有粒子性
电子
l = h/p
用电子显微镜
介绍各种微观粒子探测器：气体探测器、半导体探测器、 闪烁探测器、契伦柯夫探测器、气体多丝室、各种径迹探 测器、粒子探测系统、各种磁谱仪（高能磁谱仪和重离子 磁谱仪）等的基本结构、工作原理、主要特性、种类和应 用。
特点：
技术性强、实践性强
理论与实验结合
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
2
学习目的和意义
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
6
绪论
一、世界是物质的
宏观物质与微观粒子（无穷大到无穷小） 从1026m到10-18m
物质的基本结构：由原子到夸克 夸克和轻子是物质的最基本组成
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
7
21世纪自然科学研究的三个最重要前沿
2019/5/30
物 质
宇宙起源与演化
-+
1 Volt
电子伏（eV）： 电子经过1伏电位差 加速所得到的能量
2019/5/30
1 KeV = 1 MeV = 1 GeV = 1 TeV =
103 eV 106 eV 109 eV 1012 eV
LEP = 209 GeV LHC = 14 TeV
中国科大 汪晓莲
22
3. 粒子源及种类
辐射源 天外的：宇宙射线 天然的：自然界自然存在的放射性核素 人工的：用加速器，反应堆产生的放射性 核素 带电粒子辐射：电子、重带电粒子 电磁辐射：X射线、射线 中性粒子：中子、中微子、0等
Elementary particles come in two varieties Fermions (quarks & leptons) and Gauge Bosons
0
1
2019/5/30
increasing in mass
The electroweak symmetry requires particles to
2019/5/30
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25
静电加速器
串列加速器
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
26
直线加速器和回旋加速器
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
27
同步辐射加速器
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
28
对撞束
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
29
2019/5/30
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30
基本要求： 掌握核与粒子物理实验的基本概念，掌握粒子与物质相
互作用的基本规律，各种粒子被探测的基本原理。 根据实验要求，会选择粒子探测器。 确定采用的探测方法和技术，设计粒子探测系统，并给
出探测系统原理方框图。
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
4
评分标准和要求
平时占30% ，根据作业、堂上练习、堂上提问、 讨论、小论文等综合给分。作业每次留，一周交 一次。
原子核由质子和中子组成。质子,中子,电子组成了我们熟悉的物质世界。 1931-33年泡利，费米对原子核的 衰变谱的解释：中微子(1956年实验证实） 1932年Anderson发现正电子(e+) 1935年H.Yukawa 预言存在介子，M~1/7 Mp 1936年Anderson &Neddermeyer 在宇宙线中发现“介子”（ -轻子） 1947年5月：Powell等发现了介子 1947年12月：Rochester 在宇宙线实验中发现了V粒子（奇异粒子K）
这个介子寿命非常长。 → charm夸克 (c) mc ~ 1.5GeV J/Ψ 由(cc )构成。
1977年——L.Lederman 发现 ( 9.5GeV )
→ Beauty (Bottom) (b) mb ~ 5GeV (9.5)由(bb )构成
1994年——Fermilab. CDF组发现 Top 夸克 (t)
2019/5/30
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17
建立夸克模型的关键实验:电子轰击质子(1972)
质子并不是一个几何点。它有大小，其半径10-13cm，电荷就分布在这
样一个小空间范围
e
质子内部分布着大量的点电荷
定量分析表明,质子是由三个夸克组成
e
1974年——丁肇中，B. Richter 发现 J/ 粒子
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
23
2019/5/30
宇宙射线 在大气中的簇射
射线在大气中由碰 撞产生一些新的粒 子，如 子，介子， 奇异粒子等。 但是并没有观测到 物质的更深层次的 结构。（原子，原 子核，核子。）
中国科大 汪晓莲
24
高能加速器和探测器
—高能物理研究的基本工具
1) 必要性：
探索尺度越小，越需要高能加速器。（波长与能量成反比） 产生新重粒子，需要更高能加速器。（E＝Mc2） 模拟大爆炸瞬间的粒子状态，需要高能重离子对撞机，以
产生极高的温度。
2) 加速器类型：
一般加速器：加速单束带电粒子。 对撞机：两带电粒子束相撞，获得更高的加速效率。
分类:e+e-，ep，pp，pp ，重离子—重离子。
弱相互作用 强相互作用
短程力，描述微观物理、核物理、
粒子物理现象，微观(量子)作用力
相互作用的传播
所有的相互作用均通过传播子以光速传播
引力: 质量, 引力子(?)
电磁力: 电荷, 光子
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
12
二、粒子探测技术随着核物理 与粒子物理的发展而发展
人类对物质世界的认识不断深化，归功于实验和 理论的相互促进，归功于粒子加速器和粒子探测 器的不断建造和发展
Electromagnetic force QED Electroweak force
Weak force Standardmodel
Crystal 10-9 m
DNA 10-8 m
Atom 10-10 m
Atom nucleus 10-14 m
Strong force QCD
2019/5/30
Nucleon 10-15 m
培养掌握各种粒子探测技术的专门人才。 了解掌握粒子与物质相互作用的物理过程和基
本规律，会使用各种探测器。 掌握粒子测试系统的原理及组建。 掌握大型高能粒子探测谱仪的构成和工作原理。 会设计研发新的粒子探测器。
2019/5/30
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3
学习方法和基本要求
学习方法： 理论联系实际，认真听课，独立完成作业，认真做好实验。
Electron
Quark
<10-18 m
中国科大 汪晓莲
9
1.寻找构成物质世界的基本元素
物质无限可分？ Βιβλιοθήκη Baidu哲学命题与科学问题的区别
同样的问题, 近似的理论 哲学命题: 思辩 科学问题: 定量(数学), 实验 粒子物理标准模型: 一种能定量描述与解释所有实验现象的理论
类似于元素周期表：夸克模型
粒子探测技术
主讲：汪晓莲 电话：3601178 辅导：达红玉 崔相利
近代物理楼307、312 高能物理实验室
2008年9月8日
本课主要内容与特点
内容：
以核物理与粒子物理实验为背景，介绍各种探测器的基本 概念和基础知识，包括：微观粒子与物质的相互作用和它 们的探测原理，粒子探测器的统计性质和实验据处理知识。
2019/5/30
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10
Qe
2 3 1 3
Standard Model
The Standard Model is the theory describing the interactions (strong, electromagnetic and weak)
among elementary particles
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
16
1947年前，我们只知道很少的“粒子”，如质子、中子、电子、μ子等，
人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元，称之为“基本粒子”。
此后，在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现了大量的粒子：
π，π0，K，K0 ，K0 ，Λ，，Ξ，Δ …约几百种。
有的寿命很短，产生出来很快就蜕变成别的粒子。
问题：是不是这几百种粒子都是 “基本”的？
1963年, 根据大量的实验数据, 盖尔曼等猜测这
些粒子具有内部结构,并给出了计算这些粒子质量
的公式 盖尔曼的夸克模型：共有三种夸克 u,d,s
介子由（qq）构成 重子由（qqq）构成
+ (ud ) 质子 (uud)
王淦昌发现反西格玛负超子
60年代中期,中国的 粒子物理学家曾提出 了层子模型。
中国科大 汪晓莲
32
Tevatron Collider
Fermilab Tevatron Collider
是目前世界上在运行的最高能量的对撞机 质子，反质子束流加速到900 GeV ，有两 个相互作用对撞点 (CDF and DØ)
95年发现 Top夸克
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
33
欧洲粒子物理研究中心
mt ~ 176GeV
2019/5/30
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18
2.有关基本概念
粒子 原子核物理和粒子物理领域中的各种微观粒子
射线 快速粒子束 核辐射 原子核自发放射各种射线的现象 粒子质量与能动量的关系
m= 1
E 2
p2
或
C C
E2 = p2C 2 m2C 4
2019/5/30
大型正负电子对撞机（LEP)曾是 世界上最大的电子显微镜
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
15
1.一些重要历史事件
1590年发明显微镜，观察细菌、细胞 1609年发明望远镜，观察天文（太阳、月亮、星星） 1895年伦琴发现X射线 1896年Becquerel发现射线 1897年J.J.Thomson 发现电子 1911年E.Rutherford和他的学生Geiger、Marsden发现粒子大角度散射 1919年E.Rutherford 发现质子 1919年F.Hess 气球实验 ,1925 年Millikan 称它作宇宙线 1932年J.Chadwick发现中子
考试占70% 本科生实验单独计分，研究生实验视安排情况而
定。实验要求认真预习，写出预习实验报告，合 作完成实验，独立完成实验报告。
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
5
主要参考书及有关学术刊物
《粒子探测器与数据获取》有关章节
高能物理所谢一冈等编著
《粒子物理实验方法》有关章节
唐孝威院士等编著
中国科大 汪晓莲
19
Basic Concepts: Energy
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
20
Basic Concepts: Energy
2019/5/30
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21
electron
(energy U)
U= 1 eV = 1.6x10-19J
(speed at positive plate 18 000 km/s)
基
本
粒子物理与宇宙学：
结 构
联合与交叉
生命起源及其本质
同步辐射与中子散射: 提供关键的研究手段
物中国质科大科汪晓学莲 是一切现代科学的基础 8
Structure of Matter
Gravitation force general relaticivity
Galaxy 1021 m
Matter 10-1 m
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A Annual Review of Nuclear Science IEEE Transactions Nuclear Science 高能物理与核物理 核技术 核电子学与探测技术
SM is abegamuagsesltehses中o国ry科大mwui汪tsh晓t 莲sbyembmreotkreyn groups
11
SU(3)CSU(2)LU(1)Y
2. 物质之间的相互作用
物质之间已知的相互作用
引力相互作用 电磁相互作用
长程力，与作用距离平方成反比 宏观（经典）作用力
世界上第一台对撞加速器
1960年意大利科学家陶歇克(B.Touschek)首次提出并在意大利的Frascati国家实验室
20建19/成5/3了0 直径约1米的AdA对撞机，验证了中国原科大理汪，晓从莲 此开辟了加速器发展的新纪元。
31
美国BNL 的3.3GeV Cosmotron
2019/5/30
2019/5/30
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客体尺度与观测手段
2019/5/30
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14
光学显微镜不能研究原子的内部结构 !!!
量子力学告诉我们粒子具有波动性，波具有粒子性
电子
l = h/p
用电子显微镜
介绍各种微观粒子探测器：气体探测器、半导体探测器、 闪烁探测器、契伦柯夫探测器、气体多丝室、各种径迹探 测器、粒子探测系统、各种磁谱仪（高能磁谱仪和重离子 磁谱仪）等的基本结构、工作原理、主要特性、种类和应 用。
特点：
技术性强、实践性强
理论与实验结合
2019/5/30
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2
学习目的和意义
2019/5/30
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6
绪论
一、世界是物质的
宏观物质与微观粒子（无穷大到无穷小） 从1026m到10-18m
物质的基本结构：由原子到夸克 夸克和轻子是物质的最基本组成
2019/5/30
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7
21世纪自然科学研究的三个最重要前沿
2019/5/30
物 质
宇宙起源与演化
-+
1 Volt
电子伏（eV）： 电子经过1伏电位差 加速所得到的能量
2019/5/30
1 KeV = 1 MeV = 1 GeV = 1 TeV =
103 eV 106 eV 109 eV 1012 eV
LEP = 209 GeV LHC = 14 TeV
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22
3. 粒子源及种类
辐射源 天外的：宇宙射线 天然的：自然界自然存在的放射性核素 人工的：用加速器，反应堆产生的放射性 核素 带电粒子辐射：电子、重带电粒子 电磁辐射：X射线、射线 中性粒子：中子、中微子、0等
Elementary particles come in two varieties Fermions (quarks & leptons) and Gauge Bosons
0
1
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increasing in mass
The electroweak symmetry requires particles to
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静电加速器
串列加速器
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直线加速器和回旋加速器
2019/5/30
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27
同步辐射加速器
2019/5/30
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28
对撞束
2019/5/30
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29
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30
基本要求： 掌握核与粒子物理实验的基本概念，掌握粒子与物质相
互作用的基本规律，各种粒子被探测的基本原理。 根据实验要求，会选择粒子探测器。 确定采用的探测方法和技术，设计粒子探测系统，并给
出探测系统原理方框图。
2019/5/30
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4
评分标准和要求
平时占30% ，根据作业、堂上练习、堂上提问、 讨论、小论文等综合给分。作业每次留，一周交 一次。
原子核由质子和中子组成。质子,中子,电子组成了我们熟悉的物质世界。 1931-33年泡利，费米对原子核的 衰变谱的解释：中微子(1956年实验证实） 1932年Anderson发现正电子(e+) 1935年H.Yukawa 预言存在介子，M~1/7 Mp 1936年Anderson &Neddermeyer 在宇宙线中发现“介子”（ -轻子） 1947年5月：Powell等发现了介子 1947年12月：Rochester 在宇宙线实验中发现了V粒子（奇异粒子K）
这个介子寿命非常长。 → charm夸克 (c) mc ~ 1.5GeV J/Ψ 由(cc )构成。
1977年——L.Lederman 发现 ( 9.5GeV )
→ Beauty (Bottom) (b) mb ~ 5GeV (9.5)由(bb )构成
1994年——Fermilab. CDF组发现 Top 夸克 (t)
2019/5/30
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17
建立夸克模型的关键实验:电子轰击质子(1972)
质子并不是一个几何点。它有大小，其半径10-13cm，电荷就分布在这
样一个小空间范围
e
质子内部分布着大量的点电荷
定量分析表明,质子是由三个夸克组成
e
1974年——丁肇中，B. Richter 发现 J/ 粒子
2019/5/30
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23
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宇宙射线 在大气中的簇射
射线在大气中由碰 撞产生一些新的粒 子，如 子，介子， 奇异粒子等。 但是并没有观测到 物质的更深层次的 结构。（原子，原 子核，核子。）
中国科大 汪晓莲
24
高能加速器和探测器
—高能物理研究的基本工具
1) 必要性：
探索尺度越小，越需要高能加速器。（波长与能量成反比） 产生新重粒子，需要更高能加速器。（E＝Mc2） 模拟大爆炸瞬间的粒子状态，需要高能重离子对撞机，以
产生极高的温度。
2) 加速器类型：
一般加速器：加速单束带电粒子。 对撞机：两带电粒子束相撞，获得更高的加速效率。
分类:e+e-，ep，pp，pp ，重离子—重离子。
弱相互作用 强相互作用
短程力，描述微观物理、核物理、
粒子物理现象，微观(量子)作用力
相互作用的传播
所有的相互作用均通过传播子以光速传播
引力: 质量, 引力子(?)
电磁力: 电荷, 光子
2019/5/30
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12
二、粒子探测技术随着核物理 与粒子物理的发展而发展
人类对物质世界的认识不断深化，归功于实验和 理论的相互促进，归功于粒子加速器和粒子探测 器的不断建造和发展
Electromagnetic force QED Electroweak force
Weak force Standardmodel
Crystal 10-9 m
DNA 10-8 m
Atom 10-10 m
Atom nucleus 10-14 m
Strong force QCD
2019/5/30
Nucleon 10-15 m
培养掌握各种粒子探测技术的专门人才。 了解掌握粒子与物质相互作用的物理过程和基
本规律，会使用各种探测器。 掌握粒子测试系统的原理及组建。 掌握大型高能粒子探测谱仪的构成和工作原理。 会设计研发新的粒子探测器。
2019/5/30
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3
学习方法和基本要求
学习方法： 理论联系实际，认真听课，独立完成作业，认真做好实验。
Electron
Quark
<10-18 m
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9
1.寻找构成物质世界的基本元素
物质无限可分？ Βιβλιοθήκη Baidu哲学命题与科学问题的区别
同样的问题, 近似的理论 哲学命题: 思辩 科学问题: 定量(数学), 实验 粒子物理标准模型: 一种能定量描述与解释所有实验现象的理论
类似于元素周期表：夸克模型
粒子探测技术
主讲：汪晓莲 电话：3601178 辅导：达红玉 崔相利
近代物理楼307、312 高能物理实验室
2008年9月8日
本课主要内容与特点
内容：
以核物理与粒子物理实验为背景，介绍各种探测器的基本 概念和基础知识，包括：微观粒子与物质的相互作用和它 们的探测原理，粒子探测器的统计性质和实验据处理知识。
2019/5/30
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10
Qe
2 3 1 3
Standard Model
The Standard Model is the theory describing the interactions (strong, electromagnetic and weak)
among elementary particles
2019/5/30
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16
1947年前，我们只知道很少的“粒子”，如质子、中子、电子、μ子等，
人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元，称之为“基本粒子”。
此后，在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现了大量的粒子：
π，π0，K，K0 ，K0 ，Λ，，Ξ，Δ …约几百种。
有的寿命很短，产生出来很快就蜕变成别的粒子。
问题：是不是这几百种粒子都是 “基本”的？
1963年, 根据大量的实验数据, 盖尔曼等猜测这
些粒子具有内部结构,并给出了计算这些粒子质量
的公式 盖尔曼的夸克模型：共有三种夸克 u,d,s
介子由（qq）构成 重子由（qqq）构成
+ (ud ) 质子 (uud)
王淦昌发现反西格玛负超子
60年代中期,中国的 粒子物理学家曾提出 了层子模型。
中国科大 汪晓莲
32
Tevatron Collider
Fermilab Tevatron Collider
是目前世界上在运行的最高能量的对撞机 质子，反质子束流加速到900 GeV ，有两 个相互作用对撞点 (CDF and DØ)
95年发现 Top夸克
2019/5/30
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33
欧洲粒子物理研究中心
mt ~ 176GeV
2019/5/30
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18
2.有关基本概念
粒子 原子核物理和粒子物理领域中的各种微观粒子
射线 快速粒子束 核辐射 原子核自发放射各种射线的现象 粒子质量与能动量的关系
m= 1
E 2
p2
或
C C
E2 = p2C 2 m2C 4
2019/5/30
大型正负电子对撞机（LEP)曾是 世界上最大的电子显微镜
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
15
1.一些重要历史事件
1590年发明显微镜，观察细菌、细胞 1609年发明望远镜，观察天文（太阳、月亮、星星） 1895年伦琴发现X射线 1896年Becquerel发现射线 1897年J.J.Thomson 发现电子 1911年E.Rutherford和他的学生Geiger、Marsden发现粒子大角度散射 1919年E.Rutherford 发现质子 1919年F.Hess 气球实验 ,1925 年Millikan 称它作宇宙线 1932年J.Chadwick发现中子
考试占70% 本科生实验单独计分，研究生实验视安排情况而
定。实验要求认真预习，写出预习实验报告，合 作完成实验，独立完成实验报告。
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
5
主要参考书及有关学术刊物
《粒子探测器与数据获取》有关章节
高能物理所谢一冈等编著
《粒子物理实验方法》有关章节
唐孝威院士等编著
中国科大 汪晓莲
19
Basic Concepts: Energy
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
20
Basic Concepts: Energy
2019/5/30
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21
electron
(energy U)
U= 1 eV = 1.6x10-19J
(speed at positive plate 18 000 km/s)
基
本
粒子物理与宇宙学：
结 构
联合与交叉
生命起源及其本质
同步辐射与中子散射: 提供关键的研究手段
物中国质科大科汪晓学莲 是一切现代科学的基础 8
Structure of Matter
Gravitation force general relaticivity
Galaxy 1021 m
Matter 10-1 m
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A Annual Review of Nuclear Science IEEE Transactions Nuclear Science 高能物理与核物理 核技术 核电子学与探测技术
SM is abegamuagsesltehses中o国ry科大mwui汪tsh晓t 莲sbyembmreotkreyn groups
11
SU(3)CSU(2)LU(1)Y
2. 物质之间的相互作用
物质之间已知的相互作用
引力相互作用 电磁相互作用
长程力，与作用距离平方成反比 宏观（经典）作用力
世界上第一台对撞加速器
1960年意大利科学家陶歇克(B.Touschek)首次提出并在意大利的Frascati国家实验室
20建19/成5/3了0 直径约1米的AdA对撞机，验证了中国原科大理汪，晓从莲 此开辟了加速器发展的新纪元。
31
美国BNL 的3.3GeV Cosmotron
2019/5/30