的连续能谱时假设了自然界存在着中微子。1935 年，汤川秀树发表了核力的介
子场论，预言了介子的存在。
[PDF]Shower's Doctorial Thesis - HEPG - 山东大学
hepg.sdu.edu.cn/~zhucg/Zhucg-Thesis-Last-Version.pdf
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2003年5月7日 - B 重新线性组合成三个有质量的玻色子场，而. 保留一个规范场无质量，即光子，同时出现一个有质量的黑格斯粒子。 标准模型中，通过黑格斯机制 ...
自然界看来远比人类的想象力丰富。1931 年，查德威克发现中子后，原子
核的研究得到了迅速的发展。在原子核的研究中，发现了 β 衰变，表明一种新
的基本相互作用—弱相互作用的存在；核子力的发现则使强相互作用进入了人们
的视野。这样，加上引力相互作用、电磁相互作用，科学家共发现有四种基本相
互作用。
随后，安德逊在宇宙射线实验中发现了正电子的存在。泡利在揭示 β 衰变
的连续能谱时假设了自然界存在着中微子。1935 年，汤川秀树发表了核力的介
子场论，预言了介子的存在。
1947 年，带电的 π 介子在宇宙线实验中被发现，而后又相继发现了
L ，000 K,,,K Λ+ π
。高能加速器 Cosmotron 和 Bevatron 投入运行后，很快发展了
共振态粒子的实验研究方法，并发现了新的共振态粒子。越来越多的粒子如雨后 春笋般出现，包括很多重子 L ,,,,, -00ΣΞΣΞ∆ ± ，还有反质子、反中子和许多反 重子。同时也发现很多介子，如 L ',af,,,K,,, 2 * ηφ ηω ρ 。
二十世纪六十年代以前，实验物理学家相继发现了上百种新粒子。它们在
性质上和相互关系上表现出很大的差别，极大地丰富了人们对于微观世界的认
识，形成了庞大的粒子物理领域。这些粒子都能够在一定的条件下产生、消灭和
相互转化，看来不像什么“基本粒子”，于是将“基本”二字取消，统称为“粒
子”。它们都是物质世界的组成部份，物质的基本结构似乎变的更加复杂
核的研究得到了迅速的发展。在原子核的研究中，发现了 β 衰变，表明一种新
的基本相互作用—弱相互作用的存在；核子力的发现则使强相互作用进入了人们
的视野。这样，加上引力相互作用、电磁相互作用，科学家共发现有四种基本相
互作用。
随后，安德逊在宇宙射线实验中发现了正电子的存在。泡利在揭示 β 衰变
的连续能谱时假设了自然界存在着中微子。1935 年，汤川秀树发表了核力的介
子场论，预言了介子的存在。
1947 年，带电的 π 介子在宇宙线实验中被发现，而后又相继发现了
L ，000 K,,,K Λ+ π
。高能加速器 Cosmotron 和 Bevatron 投入运行后，很快发展了
共振态粒子的实验研究方法，并发现了新的共振态粒子。越来越多的粒子如雨后 春笋般出现，包括很多重子 L ,,,,, -00ΣΞΣΞ∆ ± ，还有反质子、反中子和许多反 重子。同时也发现很多介子，如 L ',af,,,K,,, 2 * ηφ ηω ρ 。
二十世纪六十年代以前，实验物理学家相继发现了上百种新粒子。它们在
性质上和相互关系上表现出很大的差别，极大地丰富了人们对于微观世界的认
识，形成了庞大的粒子物理领域。这些粒子都能够在一定的条件下产生、消灭和
相互转化，看来不像什么“基本粒子”，于是将“基本”二字取消，统称为“粒
子”。它们都是物质世界的组成部份，物质的基本结构似乎变的更加复杂
高能物理现象一方面具有微观物理现象中普遍存在的波粒二重性，另一方
面又普遍存在着产生和消灭的过程。量子力学能反映微观世界的波粒二重性，但
不能反映粒子的产生和消灭过程。而经典电磁场理论所描述的是具有无穷多个自
由度的物理系统，能够反映电磁波的产生和消灭，但不能反映波粒二重性
面又普遍存在着产生和消灭的过程。量子力学能反映微观世界的波粒二重性，但
不能反映粒子的产生和消灭过程。而经典电磁场理论所描述的是具有无穷多个自
由度的物理系统，能够反映电磁波的产生和消灭，但不能反映波粒二重性
从实验结果看，许多对称性是严格的，例如：动量、能量守恒定律，电荷
守恒定律，但有些对陈并不严格，例如：同位旋。这是由于物理规律虽然具有一
系列的对称性，具有变换不变性，然而，物理真空作为物理基本方程的基态解，
对于一系列变换并不都是不变的，对于某些变换就不具备不变性，例如，质子和
中子属于一个同位旋二重态，假使同位旋严格守恒，他们的质量应该相等，但其
实不然
守恒定律，但有些对陈并不严格，例如：同位旋。这是由于物理规律虽然具有一
系列的对称性，具有变换不变性，然而，物理真空作为物理基本方程的基态解，
对于一系列变换并不都是不变的，对于某些变换就不具备不变性，例如，质子和
中子属于一个同位旋二重态，假使同位旋严格守恒，他们的质量应该相等，但其
实不然
四种基本相互作用均来源于基本物理定律的定域变换不变性，这是四种基
本相会作用的共性，但他们也有各自的特殊性。例如，它们的相互作用强度很不
相同，作用范围的大小和相互作用强度成反比；所有粒子都参与引力作用，但胶
子不参与弱相互作用；胶子和中微子都不参与电磁相互作用。另外，在弱相互作
用中宇称
P
不守恒，电荷共轭宇称
C
不守恒， CP
也不守恒，而在其它三种基本
相互作用中， C 和
P 都是守恒的；渐进自由和囚禁是强相互作用所特有的性质。
标准模型认为粒子间的相互作用是通过粒子间交换另一类中间粒子而发生
的。强相互作用通过交换胶子将夸克等结合在一起；弱相互作用则是通过交换 ±W 或 Z 玻色子发生；电磁相互作用通过交换光子产生，把原子核与电子结合在 一起形成原子
本相会作用的共性，但他们也有各自的特殊性。例如，它们的相互作用强度很不
相同，作用范围的大小和相互作用强度成反比；所有粒子都参与引力作用，但胶
子不参与弱相互作用；胶子和中微子都不参与电磁相互作用。另外，在弱相互作
用中宇称
P
不守恒，电荷共轭宇称
C
不守恒， CP
也不守恒，而在其它三种基本
相互作用中， C 和
P 都是守恒的；渐进自由和囚禁是强相互作用所特有的性质。
标准模型认为粒子间的相互作用是通过粒子间交换另一类中间粒子而发生
的。强相互作用通过交换胶子将夸克等结合在一起；弱相互作用则是通过交换 ±W 或 Z 玻色子发生；电磁相互作用通过交换光子产生，把原子核与电子结合在 一起形成原子
标准模型认为粒子间的相互作用是通过粒子间交换另一类中间粒子而发生
的。强相互作用通过交换胶子将夸克等结合在一起；弱相互作用则是通过交换 ±W 或 Z 玻色子发生；电磁相互作用通过交换光子产生，把原子核与电子结合在 一起形成原子。
传播这些相互作用的玻色子的性质如表 2中所列：
表 2：四种基本相互作用
引力作用 弱作用 电磁作用 强作用
作用于 质量、能量 味 电荷 色荷
参与作用的粒子 所有 夸克，轻子 带电粒子 夸克，胶子
传播玻色子 引力子 W ± ，Z0
γ
胶子
作用强度，相对于两
个u夸克间距10－18米
10－41 0.8 1 25
的。强相互作用通过交换胶子将夸克等结合在一起；弱相互作用则是通过交换 ±W 或 Z 玻色子发生；电磁相互作用通过交换光子产生，把原子核与电子结合在 一起形成原子。
传播这些相互作用的玻色子的性质如表 2中所列：
表 2：四种基本相互作用
引力作用 弱作用 电磁作用 强作用
作用于 质量、能量 味 电荷 色荷
参与作用的粒子 所有 夸克，轻子 带电粒子 夸克，胶子
传播玻色子 引力子 W ± ，Z0
γ
胶子
作用强度，相对于两
个u夸克间距10－18米
10－41 0.8 1 25
标准模型中，仍存在 18 个无量纲常数有待解释。在这些参数中，一
小部分来自规范场部分，和物理规律的对称性有关，需要进一步探索物理规律
是否具有更大的对称性。另外的大部分来自黑格斯场部分，和对称性的破缺有
关。因此，需要进一步研究黑格斯场的实质，对称性破缺的机制。黑格斯场的
量子称为黑格斯粒子，黑格斯粒子还没有在实验上被观测到。寻找黑格斯粒子
将是对标准模型的一个最直接的检验。
小部分来自规范场部分，和物理规律的对称性有关，需要进一步探索物理规律
是否具有更大的对称性。另外的大部分来自黑格斯场部分，和对称性的破缺有
关。因此，需要进一步研究黑格斯场的实质，对称性破缺的机制。黑格斯场的
量子称为黑格斯粒子，黑格斯粒子还没有在实验上被观测到。寻找黑格斯粒子
将是对标准模型的一个最直接的检验。
LHC工作在最大束流亮度时，每纳秒发生一次质子－质子对撞事例，即在
每一对束流团对撞中，有25个初级质子－质子对撞发生。而在每一对质子－质子
对撞反应中，约有30个带电粒子产生，因此约有750个带电粒子在一次束流团对
撞中产生。
每一对束流团对撞中，有25个初级质子－质子对撞发生。而在每一对质子－质子
对撞反应中，约有30个带电粒子产生，因此约有750个带电粒子在一次束流团对
撞中产生。
当带电粒子穿过多丝正比室的时候，它和室内的气体原子发生电磁相互作
用而损失能量，使气体原子电离，在入射粒子经过的路径上产生了一条由电子－
正离子对所形成的“径迹”。在室内静电场的作用下，离子对中的正离子向阴极
漂移，并在那里被收集起来。电子则向邻近的阳极丝漂移，在靠近阳极丝的雪崩
山东大学博士学位论文
TGC 探测器
第 36 页
区，电场强度迅速增强，在一个碰撞自由程内，电子可以获得足够大的能量以电
离出新的电子－正离子对。新产生的电子又可以继续获得能量进一步电离出新的
电子－正离子对。于是一个电子变成两个，两个变成四个⋯⋯，这样级联增殖下
去，从而实现了电子数量的放大，这种过程因为类似自然界雪崩产生的过程，而 被称为“电子雪崩”［ 63］［ 64］
用而损失能量，使气体原子电离，在入射粒子经过的路径上产生了一条由电子－
正离子对所形成的“径迹”。在室内静电场的作用下，离子对中的正离子向阴极
漂移，并在那里被收集起来。电子则向邻近的阳极丝漂移，在靠近阳极丝的雪崩
山东大学博士学位论文
TGC 探测器
第 36 页
区，电场强度迅速增强，在一个碰撞自由程内，电子可以获得足够大的能量以电
离出新的电子－正离子对。新产生的电子又可以继续获得能量进一步电离出新的
电子－正离子对。于是一个电子变成两个，两个变成四个⋯⋯，这样级联增殖下
去，从而实现了电子数量的放大，这种过程因为类似自然界雪崩产生的过程，而 被称为“电子雪崩”［ 63］［ 64］
电子雪崩在电极上感应出电荷形成电脉冲信号。设雪崩中产生的总电荷为
Ae，这些电荷在运动过程中扫过的电压降为Δu，那么静电力所做的功 W=AeΔu。
这个功是由外电路供给的，为了保持加于阴阳极之间的工作电压不变，需把数量 为 Q ∆ 的电荷补充到电极（电压为 V0）上:
AeΔu= V0ΔQ 公式 1
所以产生电流:
v
∆r ∆u
V Ae
∆t ∆r
∆r ∆Q
∆t ∆Qi
0
===
公式 2
其中，ν 是电子或离子在电场中的漂移速度。上述电荷补充过程是电子和正离
于在电场中运动的贡献之和。向阳极丝运动的大多数电子扫过的电压降都很小。
但是正离子向阴极运动时要扫过几乎全部电压降，所以输出脉冲主要是正离子的
运动引起的，电子对于整个脉冲的贡献小于 1%。
3.1.2. 多丝正比室信号
由于阳极丝附近的场强很强，信号脉冲开始会有一个很快的上升，接着是
缓慢的增加。为了得到好的时间分辨率及大的计数率，前端电子学的输入端使用
了微分电路，仅仅选取信号尖锐上升的部分。微分电路的时间常数一般为 20ns
左右。
阳极丝上的电信号脉冲，是所有初级电离电子引起的雪崩效应的叠加
Ae，这些电荷在运动过程中扫过的电压降为Δu，那么静电力所做的功 W=AeΔu。
这个功是由外电路供给的，为了保持加于阴阳极之间的工作电压不变，需把数量 为 Q ∆ 的电荷补充到电极（电压为 V0）上:
AeΔu= V0ΔQ 公式 1
所以产生电流:
v
∆r ∆u
V Ae
∆t ∆r
∆r ∆Q
∆t ∆Qi
0
===
公式 2
其中，ν 是电子或离子在电场中的漂移速度。上述电荷补充过程是电子和正离
于在电场中运动的贡献之和。向阳极丝运动的大多数电子扫过的电压降都很小。
但是正离子向阴极运动时要扫过几乎全部电压降，所以输出脉冲主要是正离子的
运动引起的，电子对于整个脉冲的贡献小于 1%。
3.1.2. 多丝正比室信号
由于阳极丝附近的场强很强，信号脉冲开始会有一个很快的上升，接着是
缓慢的增加。为了得到好的时间分辨率及大的计数率，前端电子学的输入端使用
了微分电路，仅仅选取信号尖锐上升的部分。微分电路的时间常数一般为 20ns
左右。
阳极丝上的电信号脉冲，是所有初级电离电子引起的雪崩效应的叠加
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