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探幽入微,俯察苍穹 ——工物系“瑞意渡核”海外实践支队赴欧洲核子中心开展专业实践纪实
发布时间:2020-02-20


2020年1月11日至18日,来自清华大学工程物理系的“瑞意渡核”海外实践支队赴瑞士参观欧洲核子中心(法语Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire,简称CERN)及LHC(Large Hardon Collider,大型强子对撞机)等四大探测器,并与在中心工作的学长学姐进行交流了访谈。“瑞意渡核”实践支队由来自清华大学工程物理系的11名本科生和1名指导老师组成。本次实践是专业认知类实践,旨在了解高能粒子物理前沿与加速器技术的最新进展,并为支队同学未来专业方向的选择提供帮助。

1月11日至18日,支队依次参观了LHC的四大探测器:LHCb、CMS、ALICE与ATLAS。LHC是世界上规模最大、功能最强的粒子加速器,也是CERN加速器综合体的最新成员。2012年7月,号称“上帝粒子”的Higgs粒子被发现,而这一诺贝尔奖级的发现就是在LHC上完成的。LHC位于瑞士与法国边境地区,布置在地下100米深处,由27公里长的超导磁体环组成,并具有多个加速结构。LHC内部的质子束流在加速器环的四个位置发生碰撞,这四个对撞点与四大探测器ATLAS、CMS、ALICE和LHCb的位置相对应。

图1 支队成员参观LHCb 邬鸿伟 摄.jpg

支队成员参观LHCb

LHCb 实验主要研究宇宙早期演化的对称性破缺问题,其研究对象是一种被称为b夸克的基本粒子。这一问题的研究,将有助于解释为什么我们今天生活的宇宙绝大部分是正物质而几乎没有反物质。1月12日上午,支队成员参观了LHCb探测器。在CERN工作的张艳席老师首先为大家介绍了粒子物理的发展历史以及CERN和LHCb的主要任务,随后分批带领支队成员下井参观。

图2 张艳席老师向支队成员讲解LHCb 邬鸿伟 摄.jpg

张艳席老师向支队成员讲解LHCb

LHCb探测器重约5600吨,轴向自碰撞点以后依次包括径迹探测器、强磁铁、量能器以及最外层的μ子探测器等;这些探测器产生的海量数据经过相应计算程序的处理,可以帮助科学家得知各种粒子的能量、动量、质量等信息。在对撞发生处,超高能产生近似于宇宙大爆炸几毫秒后的宇宙环境,科学家借此研究宇宙早期的性质和演化。

图3 支队成员参观CMS 邬鸿伟 摄.jpg

支队成员参观CMS

1月13日,支队成员依次参观了CMS和ALICE。从研究标准模型到探索暗物质,CMS(Compact Muon Solenoid,紧凑μ子线圈)被设计为一个通用型探测器。13日上午,在CERN交流的张冯望东师兄带领支队成员参观了CMS探测器并进行讲解。

图4 张冯望东师兄带领支队成员参观CMS 邬鸿伟 摄.jpg

张冯望东师兄带领支队成员参观CMS

CMS实验是迄今为止最大的国际科学合作项目,来自50多个国家和地区的超过5000名科学家、工程师等参与其中。类似地,来自40多个国家的1800多名科技人员参与到相邻的ALICE实验项目之中。ALICE(A Large Ion Collider,大型离子对撞机)是LHC上的重离子探测器,旨在研究在极端能量密度下发生强相互作用的物质的物理学。在高能状态下,夸克和胶子被释放而形成夸克-胶子等离子体,这与宇宙早期(大爆炸后1秒钟以内)的物质状态非常接近。13日下午,支队成员在向导Despina Hatzifotiadou(CERN fellow)的带领下参观ALICE。参观过程中,支队成员积极主动,与带队向导热情交流,收获颇丰。

图5 Despina Hatzifotiadou与支队成员交流 邬鸿伟 摄.jpg

Despina Hatzifotiadou与支部成员交流

14日上午,支队成员参观了ATLAS。ATLAS(A Toroidal LHC Apparatus,环形LHC装置)也是LHC的一个通用型探测器,它与CMS有着相似的科研目的,并与CMS一起为Higgs粒子的发现做出了重要贡献。

图6 Jochen Jens Heinrich为支队成员讲解ATLAS 邬鸿伟 摄.jpg

Jochen Jens Heinrich为支队成员讲解ATLAS

ATLAS探测器中,粒子频繁地相互作用并产生了巨大的数据流。为有效消化数据,ATLAS使用先进的“触发”系统来告诉检测器要记录哪些事件和忽略哪些事件。ATLAS探测器重约7000吨,长46米、直径25米,是迄今体积最大的粒子探测器。

在完成四大探测器的参观后,14日下午,支队成员与在CERN学习或工作的学长学姐进行座谈。双方积极交流互动,现场气氛活跃。

图7 支队同学与在CERN的学长学姐座谈 邬鸿伟 摄.jpg

支队同学与在CERN的学长学姐座谈

学长学姐谈到了他们选择专业时的考虑,并对支队同学未来的专业方向及导师的选择给出了参考建议。在谈及加速器的发展前景时,他们指出,小型化和民用化将是加速器发展的重要趋势,加速器技术的发展和应用仍然具有广阔前景。支队成员还与学长学姐交流了关于学习与科研的相关问题。

15至17日,支队成员参观了欧洲核子中心总部,全面了解CERN的发展历史以及LHC的总体设计。带队向导为大家介绍了LHC加速环的内部结构,并着重讲解了超导磁体和液氦冷却系统的应用。同时,支队成员参观了AMS实验。AMS(Alpha Magnetic Spectrometer,α磁谱仪)探测器是安装在宇宙空间的探测设备,致力于探索宇宙中的奇异物质(包括暗物质、反物质以及暗能量,它们处于在宇宙总物质中仅占5%的所谓“可见物质”以外的未知领域)。著名物理学家、诺贝尔奖得主丁肇中先生就是这一项目的重要参与者。

图8 李祖豪老师讲解AMS 邬鸿伟 摄.jpg

李祖豪老师讲解AMS

李祖豪老师为支队同学讲解了AMS探测器的结构和科研目的,并指出当前AMS的观测数据还没有一个成熟的理论能够完全解释,AMS项目正处于“实验领先理论”的状态。“这是一件比单纯地用实验验证理论更加有趣和令人激动的事情。”他表示,“前景可期。”

工物系“瑞意渡核”赴瑞士日内瓦欧洲核子中心海外实践支队加入了校团委设立的本科生海外社会实践支持计划。为大力支持学生前往全球各国开展社会实践,在文化浸润和深度交流中提升全球胜任力,在走出中国看中国的过程中坚定“四个自信”,校团委设立本科生海外实践支持计划,与各院系共同匹配资源,并邀请教研一线教师带队指导。今年寒假,该计划支持700余名学生前往“一带一路”沿线等国家和地区开展社会实践,三十余名老师带队出行保障实践育人成效,2020年寒假海外实践出行总人数逾千人,出行规模创历史最高,有效提升了清华学子全球胜任力和国际视野,增进了青年对构建人类命运共同体的理解。
















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