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实施概要1

1 引言12

基本粒子物理学12

我们已经知道的知识14

我们想知道的知识16

研究基本粒子物理的工具16

研究基本粒子物理的未来工具18

2 什么是基本粒子物理19

什么是基本粒子19

基本粒子有多少种21

基本粒子的大小24

基本粒子和高能24

已知的基本力与基本粒子26

四种基本力26

已知的基本粒子家族28

传递力的粒子28

轻子28

夸克29

强子31

碰撞与衰变32

粒子的碰撞32

粒子和反粒子32

碰撞图解34

碰撞与相互作用35

粒子的自发衰变36

守恒定律和对称性的概念36

什么是守恒定律36

对称性和不变性37

对称性破缺40

基本粒子物理中的实验方法41

在固定靶加速器上的实验41

实验，加速器和粒子探测器41

固定靶加速器42

靶42

荷电粒子的粒子探测器43

次级粒子束44

粒子对撞机44

在粒子对撞机上的实验47

粒子的衰变48

基本粒子物理中不用加速器的实验48

3 在过去的二十年中我们得到的知识49

强子的夸克模型的进展49

夸克模型的起源49

粲夸克的发现51

粲素态52

第三代轻子和夸克的发现54

τ轻子的发现54

底夸克的发现55

第三代58

夸克如何相互作用59

强子的相互作用59

轻子-质子散射实验60

强子喷注63

弱作用和电磁作用的统一65

夸克之间的强相互作用70

统一理论76

4 基本粒子物理学：我们想知道的知识82

引言82

质量的问题84

所有这些质量标度起源于那里85

复合夸克和复合轻子86

基本力的统一87

强子的相互作用87

利用现有的和正在建造的加速器88

对更高能量加速器的要求92

一些基本问题97

5 用于基本粒子物理研究的加速器99

关于加速器的引言99

为什么需要和需要什么样的加速器99

粒子对撞机101

加速器的超导磁铁103

加速器的进展和能量的提高103

基本粒子物理和各种加速器105

已知粒子性质的研究105

已知力的研究105

寻找新的粒子和质量标度107

新的思想和理论的检验107

寻找解决难题的线索和开拓未知世界108

正在运行和建造中的加速器109

固定靶质子加速器109

西欧核子中心的质子-质子与质子-反质子对撞机113

费米实验室的2TeV质子-反质子对撞机114

电子加速器，固定靶115

环形正负电子对撞机115

TRISTAN和LEP环形正负电子对撞机116

直线正负电子对撞机117

电子-质子对撞机118

对撞机目标120

超级超导对撞机，超高能质子-质子对撞机120

物理目标120

设计研究121

超导磁铁123

对撞机的初步设计与考虑123

时间表和成本126

超高能直线对撞机的研究和发展127

物理动机127

现有技术和概念127

关于加速器和对撞机的新思想的研究128

直线加速器和对撞机129

对加速器和对撞机作进一步研究的必要130

能量极高的环形加速器130

6 基本粒子物理学使用的仪器和探测器132

引言132

探测器的必需条件和探测的物理原理138

对撞机实验用的探测器139

近区探测：顶点探测器140

带电粒子径迹室141

粒子类型的辨认142

量能探测和能量测量143

大的或复杂的固定靶实验144

固定靶实验中的探测器144

小的或简单的固定靶实验144

泡室148

数据处理和计算机149

不使用加速器的实验的装置和探测器151

原子的、光学的、电子学的和低温的实验151

采用放射性物质或反应堆的实验152

利用宇宙线的实验152

太阳中微子实验154

寻找质子衰变155

综述和展望未来156

7 同其他物理学领域和技术的相互影响157

宇宙学和天体物理157

宇宙线物理160

原子核物理161

原子物理163

凝聚态理论物理164

加速器的其它应用166

同步辐射166

加速器在医学中168

加速器和等离子体物理169

大规模使用超导体169

高通量中子源169

支持及促进新技术170

8 基本粒子物理的教育、组织和决策172

历史背景172

1960年以前172

美国，60年代以后173

国外，50年代以来175

加速器建造和使用的进度和计划176

构想176

提案176

将加速器用于物理177

决策177

建造177

加速器的关闭178

总结178

基本粒子物理实验的性质179

研究生教育180

粒子物理学界和联邦政府的相互影响182

大学182

加速器实验室182

决策和咨询183

国际合作和竞争185

未来的趋势和问题188

研究生的作用188

粒子物理的科学人材188

先进的加速器和探测器研究189

实验室管理190

咨询机构191

9 结论和建议192

过去20年中的变革192

变革是怎样取得的192

我们想知道什么193

对设在大学里的研究机构和使用美国现有设施的建议194

对美国新的加速器设施的建议195

对加速器研究与发展的建议196

对粒子物理理论研究的建议196

对非加速器物理实验的建议196

对基本粒子物理中国际合作的建议197

结论198

附录199

A.世界上的高能加速器199

B.建造中的粒子对撞机201

C.美国基本粒子物理研究的统计信息202

词汇注释205