L3合作实验
北外附校-准考证号码
第３卷第４期 自然科学进展——国家重点实验室通讯 ｌ９９３年７月
。；一 Ｌ３合作实验
麈 圭感
ｉ中国科学院高健物理研究所，北京ｉｏｏ￣９）
０
３
芙－词 堡基照 盟王！塑 代数高艟印
１ Ｉ３合作实验的概况
欧洲核子
研究中心（ＣＥＲ 的莱泼对撞机（ＬＥＰ：Ｌａｒｇｅ ＥｌｏｃＸｒｏｎ Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｃ０ｌＭ哪是
目前
世界上能量最高的一台正负电子对撞机．正负电子质心系总能量为１００ ＧｅＶ．１９８２年初
决定
建造，１９８３年５月动工，至Ｉ９８９年７月建成并投入运行．
Ｌ３合作实验组是Ｌ
ＥＰ时撞机上进行高能实验的四个实验组之一．它是由美国 瑞士 中
国、德国、法国 意大利 原苏
联 保加利亚，西班牙、印度等１２个国家的４３所大学和研究所参
加的一个大规模的国际合作，是一
项国际前沿的高能物理实验．Ｌ３合作组于Ｉ９８２年正式成
立，１９８９年７月开始进行实验，已得
到许多研究成果，目前实验测量和数据分析工作还在继
续进行中．
Ｌ３合作实验的主要物理
目标是系统地研究Ｚ。粒子的特性以及寻找新粒子 新现象．Ｚ。
粒子是中性的中间玻色于，是传递弱
力的媒介粒子，ＬＥＰ时撞机可以大量产生 粒子，被称
为 Ｚ。工厂’．
Ｌ３合作实验的
实验装置是一个覆盖缸立体角．内有大体积磁场的大型探测器，称为Ｌ３
探测器 这个探测器的特点是
以很高的精确度测量光子 电子和 于．探测器总重量达８０Ｏ０
ｔ 在体积为１２ ｍ×１２ Ｉ１
２×１４ ｎｌ的空问中，用常规磁铁产生强度为０．５Ｔ的沿束流方向的均
匀磁场．
从对
撞区朝外看，Ｌ３探测器由以下各层组成：（１）围绕着对撞区的是一个顶点探测器，称
为时间扩展室
，在它外面还有四层铡量粒子水平方Ｉ １坐标的正比室；（２】在顶点探测器外面是
由锗酸铋（ＢＧ
Ｏ）晶体组成的电磁量能器 大量的条状ＢＧＯ晶体对准时撞区，把时撞区包围
起来，电磁量能器测量
能量夫于２ Ｇｅｖ的光子、电子的能量分辨率优于Ｉ％．根据顶点探测
器和电磁量能器给出信息的组
合，可以区别光子与电子；（３）外面是强子量能器．围绕着束流
线的桶部强子量能器中共有Ｉ４４个
量能器模块．还有端盖部强子量能器覆盖两端．它们由铀
板和正比室夹层组成，用它们可以测量入射强
于的能量和位置：（４）再外面是大型的 子漂
移室．它们测量能量为５０ ＧｅＶ 子的动量分辨率
为２％．此外，在对撞点两侧各２ ７５ ｎｌ
处，放置柬流亮度监擐Ｉ器，
１９９２．０
４．１０收篇 １９９２．０９－０７收修收稿．
‘国家自抟科学基金椰中国科学院基盘资助项
自然科学进展——国家重点实验室通讯 第３卷
２ 中国合作单位的工作
１９８２年中国科学院高能物理研究所（简称高能所）等单位参加了Ｌ３合作实验的筹备工
作，参加
了实验整体方案的讨论和制定 自１９８３年以来，高能物理所（１８人），中国科学技术大
学近代物
理系（１１人）和中国科学院上海硅酸盐研究所（９人）参加丁这一国际合作，１９８６年起，
中国台
湾（４人）也参加了这项合作 １０年来中国合作单位在国内和国外（主要是在ＣＥＲＮ）积
极参加Ｌ
３合作实验，承担Ｌ３实验的硬件和软件工作，尤其在ＢＧＯ晶体研制和生产、强子量
能器研制和建造
，亮度监测器研制，ｔ物理分析等工作中，中国合作单位是这一国际合作实验
的主要参加单位，独立完
成了大量工作，为Ｌ３合作实验做出了贡献
２．１ 硬件方面的主要工作
２．１．】ＢＧｏ
电磁■能器工作口 Ｊ Ｌ３电磁量能器所使用的全部ＢＧＯ晶体（～１１０００根）均
由中国科学院
上海硅酸盐研究所生产，产品在世界上处于领先地位．高能所小组和中国科学技
术大学小组配合中国科
学院上海硅酸盐研究所，研究和测量Ｂ‘ｊｏ晶体的发光特性、光收集效
率等性能 还派人在ＣＥＲＮ
参加Ｌ３电磁量能器的研制和性能研究，在１～５Ｏ Ｇｅｖ能量范围
的束流上对１０×１０ ＢＧＯ
晶体阵列进行测试，给出能量响应线性及能量分辨率 位置分辨率等
参数 在ＣＥＲＮ，参加了电磁量
能器的安装工作
２．１．２ 强子量能器工作【 ｌ 高能所小组参加了Ｌ３强子量能器的设计以及强
子量能器正
比室的预研、制造工艺的研究和定型．在北京完成了强子量能器所用８６０个正比室（内含
４ＯＯ００余个正比计数管）的大批量制作与检测 运到ＣＥＲＮ后，又对这批正比室进行测试，各
项性能指标达到设计要求 将它们组装成强子量能器模块，安装在探测器中，运行正常，并
在
ＣＥＲＮ试验束上对由ＢＧＯ电磁量能器和强子量能器联合组成的系统进行了＿柬流测试 在
实验中，
负责在线分析以及参加实验的安装和测量工作 高能所小组和中国科学技术大学小
组还派人在ＣＥＲＮ
参加了强子量能器的总装和调试
五１．３ 子漂移室工作【 高能所小组和中国科学技术大学小组派人
去ＣＥＲＮ参加了
子漂移室的研制 安装、调试和性能测试等工作，并负责丝平面的对准，高压自动监
测，丝信
号的ＴＤｃ读出等工作．
２．１．４ 束流亮度监测器工作ｉ ｌ｝ 中国科学技
术大学小组在合肥进行了亮度监测器中
Ｂ（］ｏ晶体光收集和辐照损伤的研究， 及倾斜多丝正比室的
研制，还派人在ＣＥＲＮ参加了监
测器的测试束检验及安装、运行．
１．５ 前后向漂移室
预制研究Ｉ ‘ 高能所小组在北京进行了漂移室设计，比较了不同几
何结构漂移宦的单元模型．对漂
移室的安装位置 覆盖立体角和动量分辨率进行了计算．计
算Ｌ３实验前后向区磁场及改进磁场的可能
性，并研究了漂移室在磁场中的性能．
２．１．６ 小间隙室作为取样元件的■鬣器的原理性研究 ｊ
为更高能区实验进行探测器的研
究和发展，高能所小组在北京研究不同尺寸的小间隙室，并对各种性
能进行测试．研制了由２０
个小间隙室组成的量能器模型，用宇宙线 子进行测量，得到对最小电离粒
子的响应，还在高
能所试验束上进行了初步测试．
２．２软件方面的主要工作
２
．２．１ 强子■能器工作＿＿０ Ｊ 高能所小组对强子量能器分组方案进行优化设计．对Ｌ３实
第４期 唐孝威：Ｌ３台作实验
验蒙特卡罗模拟程序包中强子测量部分作了改进，为事例 重建程序编写了部分程序包，还建立
了Ｌ３强子量能器的数据库程序包．为Ｌ３强子量能器的刻度实验 编写了分析程序，在北京对
ＣＥＲＮ进行的强子量能器束流测试数据进行了分析研究，为Ｌ３强子量能 器提供了刻度数
据．还发展了Ｂｏｏｔｓｔｒａｐ方法，对强子簇射进行快速模拟，这种方法使蒙特卡 罗模拟速度提高５
倍，并能保持模拟的精度．
２．２．２ 亮度监测器工作田】 中国科学 技术大学小组对Ｌ３亮度监测器的测量误差进行了计
算和研究．
２．２．３软件环境建立 高能所小组和中国科学技术大学小组分别在北京和合肥建立了数据
分析的软件环境．
２．２ ．４ Ｌ３实验数据的物理分析工作 】 高能所小组在北京建立了ｚ。衰变为Ｔ ｒ一（¨道的
分析 程序．用蒙特卡罗对ｒ ｒ一 道进行模拟，确定了事例选择条件，对本底也进行了模拟研
究．对Ｌ３ 实验数据的ｒ Ｔ一０）道ｚ。峰的线形进行拟合，得到了 ｚ。，ｒｚ。，ｒ 等参数值，研究
了辐 射修正和各种系统误差对拟合的影响．还用测试柬的数据研究了ｅｍ分辨，在此基础上
得到了ｒ衰变的 拓扑分支比和衰变到ｅ， 和强子道的分支比．用模拟数据研究了 分辨，
得到了Ｔ极化不对称性的初 步结果．
与此同时，中国合作单位派人在ＣＥＲＮ直接参加Ｌ３实验的值班取数据，特别是强子量能
器和亮度监测器的运行工作，以及直接参加Ｌ３实验数据处理分析工作．
３ Ｌ３合作实验的 成果
到目前为止，Ｌ３合作实验得到了以下几方面的主要物理成果ｌ 一
３．１ Ｚｏ粒子 特性测■
根据实验数据拟合，确定 粒子的质量Ｍｚｏ和宽度ｒ７。的数值：
Ｍｚ。＝９１ ．１８１ ４－０．０１０４－０．０２０ ＧｅＶ，
其中０．０１０ ＧｅＶ是测量误差， ｏ２Ｏ ＧｅＶ是ＬＥＰ能量误差．
ｒｚｏ＝２５０Ｉ ４－１７ ＭｅＶ．
其中１７ ＭｅＶ包 括了统计误差和系统误差．
测量Ｚ。粒子衰变为ｅ ｅ一， 一，ｒ ｒ一及强子的部分宽度 ， ， ｒｌⅡ，ｒ＇ｈａｄ： ．
＝８３．３４－１ １ ＭｅＶ ８４．５４－２．０ ＭｅＶ
Ｆ ＝８４．０４－２．７ ＭｅＶ
，
ｒ ｄ：１７４２４－１９ ＭｅＶ
可以看 出， ， 和ｒ仃的测量值在误差范围内是一致的，这是轻子普适性的一个实验
证据．
３． ２ 中微子代数的确定
（Ｉ）ｚ。粒子宽度中除包含ｒ ｄ’ｒ ，ｒ ， 以外，还包含ｚｏ衰变为 各种中微子对的部分
宽度，后者决定于轻中微子的种类数即叶℃ 数．通过对Ｚｏ粒子宽度测量，得出 轻中微子
代 数
自然科学进展——国家重点实验室通讯 第３卷
Ｎ ＝３．０５±０．１０，
实验确定了轻中微子的叶Ｅ 数是３代，而以９９％置信度排除了Ⅳ ＝
２和Ⅳ ＝４，因而得到自
然界中只有三种中微子的结论、
（２）通过观察单光子事例，测
量ｚ。一 ７的截面，确定了
Ｎ ＝３．２４±０．４６（统计误差）±０．２２（系统误差）． <
br>３．３ 电弱相互作用参敞的测定
通过ｚ。粒子衰变数据，以很高的精确度测定了中性流轻子耦
合常数９Ａ和９ 值：
Ａ＝－０．５００￣０．００３，
＝一
０．ｏ４６： ＿
，
．
＋
ＯＪ
Ｏ０８
ｓｉｎ２０
ｗ＝０．
２２７
０
００６
３．４ ｔ夸克质量的估计
实验未观察到ｔ夸克，但通过辐
射修正，ｚ。共振峰的参数与ｔ夸克质量有关．因此由ｚｏ
的实验数据和考虑了辐射修正后的理论预期
值的比较，可以估计ｔ夸克的可能质量
＝
２ｑ－１６ＧｃＶ，
ｌＯ￣ｔ
５
６９
…
一
＋
其中第二项误差是考虑Ｈｉｇｇｓ粒子质量从５０—１０
００ ＧｅＶ范围内变化而引起的误差．
３．５ ｚ。一 寰变特性的测量
实验测量了ｚ。
一ｂ 前后不对称・眭．研究了ｚ。粒子衰变中Ｂ。Ｂ。混合． 衰变为 ，碎
裂产物包含Ｂ。百。对
、如果没有Ｂ。Ｂ。的混合，则它们衰变产生的轻子具有相反的电荷；如
果有Ｂ。Ｂ。混合，则它们衰
变产生的部分轻子会具有相同的电荷．Ｌ３实验的结果观察到了Ｂ。Ｂ０
混合．定义混合参数
＝０．１７８＿＋ｏ．
．
为一个Ｂ。在衰变时振荡到Ｂ。的几率，实验给出混合参数 还测量了ｂ一１＋ｘ半轻子分支比，测量了Ｂ介子寿命，并确定了参数Ｉ ｌ＇
３．６ ＱＣＤ检
验与强耦台常敞 ，（ ．Ｊ的确定
由ｚ。粒子衰变的三喷注事例及四喷注事例幢验了量子色动力学（
‘ＸＤ）．
测量了三喷注强子事例中能量最小的喷注能量与柬流能量之比的分布．实验结果与矢量 <
br>胶子预期的分布相符，因而证实肢子的自旋为１．
测量了强相互作用耦合常数％的值．在质心系
能量９１．２２ ＧｃＶ时，由强子末态多喷洼分
布定出
又由喷注能量间的关联定出 ％＝０．１ １５士０．０ｏ５ ８ ；，
％＝０．１２ｌ士Ｏｏｏ４ ＋００００９ｌ， 上述两组数据中第一项误差是实验误差．第二项误差是理论计算引入的误差．实验上还证实
Ⅸ 值
随质心系能量上升而下降．从强子末态事例中挑选出部分ｚ。衰变到 ６的事例，测得这
事例集的 ，
并与其他强子集的 比较，得到
苦 ｏｏ ｏｓ．
第４蝴 唐孝威：Ｌ３台
作实验 ３０７
因而 ［： 舞 夸克味道无关．
实验测量了【兀１喷注事例的Ｎ．Ｒ角日
ＮＲ・的分布．日
喷注３干【Ｊ ４的动 矢量蕞之间的夹角
定义为喷注ｌ和２的动量矢量差
与
测量结果与ＱＣＤ非阿贝尔群模型相符，由此证实了胶
… ㈤ ㈣
ｒ的ｆｊ耦合
以及ＱＣＤ的｛｝阿贝尔群对称性．
３．７ ＱＥＤ检验及轻子特性测■
通世ｅ＋ｅ一竹过
程检验了量ｆ电动 学（ＱＥ Ｄ），还由Ｚ。粒子衰变测量了Ｔ于衰变特
性．删靖ｔ ｆ的寿命：
：（０．３０９士Ｏ ０２３土Ｏ０３０）×ｌＯ…ｓ．
测最Ｔ—ｅｗ和 ｗ的分支比：
Ｂ
Ｒ“—－ ｖ ）＝０ Ｉ７５＋０．００８士０００５，
ＢＲ —ｅ ｌ ）＝０．１７７土０．０
０７土０．００６．
测量ｒ衰变到一个带电粒子（ＢＲ．）和三个带电粒子（ＢＲ ）的分支比： <
br>ＢＲ－＝Ｏ ８５６ｉＯ ００６ｉＯ．００３．
ＢＲ ３＝０．１４４±０．００６±Ｏ．０
０３．
以上数据的误差中、前一项均为统计误差，后一项均为系统误差．
３ 新粒子的寻找
在ｚｏ粒子衰变中寻找了Ｈｉｇｇｓ玻色子、激发态轻子ｅ’， ， ， 中性及带电重轻子、以及超
对称性粒子葚正面等，给出了它们的质量下限．如：Ｈｉｇｇｓ玻色子质量＞５３ ＧｅＶ．以及 <
br>ｍｅ・＞８６ ８ ＧｅＶ，ｍ“ｌ＞８７．６ ＧｅＶ，ｍ一＞８９ ３ ＧｅＶ， ｍ ＞９１ Ｇｅ
Ｖ，ｍ ＞４１ ＧｅＶ
＞４１ ＧｅＶ， ＞４４ ＧｅＶ
致谢本文承金炳年、童国梁、
吕雨生、陈和生、许咨宗、段之文等同志提供资料、谨致谢意
参 考 文 献
Ｌ３ Ｃｏｌ
ｌａｂｏｒａｔｉｏｎ Ｎｕ，－ｆ．／ｎ￣ｒ．Ｍｅｔｈ．１蚍＾触３５
何景棠等，高能物理与桉物
理，１９８３，７ ７６６
Ｗｅｎ．Ｓ Ｌ Ｈｅ．Ｃ Ｆ Ｎｕｄ．／ｎ￣ｒ．Ｍｅｔｈ．１９８４
．Ａ２１ ３３３
Ｂａｋｋｅｎ．Ｊ Ａ ａ／Ｎａｘ ｌｔｖ；ｔｒ．Ｍｅｔｈ．１９８５，＾趣２
＇－９４．
许咨宗等、高能物理与棱物理、ｌ １０：１０４
Ｚｈｏｌｌ，Ｔ Ｑ ａｔ．
．Ｎｕｃｌ ｌｏａｆ．Ｍｅｔｋ．１９８７．Ａ２鼹：５６．
Ｌ删．Ｐ．Ｌ】．Ｐ Ｊ． Ｉｎｓｔ
ｒ．Ｍｅｔｋ．】 ｌ，Ａ３０＆２４０．
［孟奇等，高能物理与棱物理、１９８８，１２：５８７
ａ凯Ｃ ｅｌ＂ａ／Ｎｕ，－１．／ｎ￣ｒ．Ｍｅｔ ｌ９８８＾２７２＝７１３
漂移室组，
桉电子学与探测技术．】９８９． ｍ
Ａｒｉｉｆｅｖ Ａ ｅｌ＂ａ／Ｎｕ，－１．／ｎ￣ｒ．Ｍｄ
１９８９．Ａ２７５：７ｌ
吴义根等、高能物理与棱物理．１９９１．１５：８６５
Ａｄ
ｆｉａｎｉ，ｎ ｅｔ ．Ｎｕｃ／／ｎ￣ｒ．Ｍｅｔｈ．．１９９１．枷５３
Ａｄｅｖａ，Ｂ ｅｌ
＂ａ／Ｎｕｃｄ．／ｎ．ｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．１９８９，＾２７ Ｉｇ
Ａ【ｌ Ｂ ｅｌ ａｔ．Ｎｕ
ｃｄ．１ｔｖ；ｔｒ．Ｍ ｌ啪Ａｍｇ：３３５
ｍｄｅｖ－ｄ．Ｂ ａｔ．．，＇ｄｕｄ ｌｏａｆ．
Ｍ １９９０
．
＾ ｌ１５
许咨宗等．枝电子学与探测技术．１９９０．１０：１５
３
１建春等，高能物珲与枝物理，１９９ｌ、１５：６７３
自热科学进展—
—国家重点实验室通讯
漂移室组，高能物理与檀物理 １９８７，１１：３００
漂移室组，
高能物理与接物理，１９８７ ｌ１ ３０８
㈣
Ｈｏｆｅｒ，Ｈ ４ ａ／
例洲∞
阅叨闭
．． ／ｎｓｔ￣．Ｍｅｔ￣ｔ．１９９Ｉ．＾３０９＝４２Ｚ
删 ∞ 阳 嗍 Ｍ
嗍
ａ凯Ｈ．Ｓ．．Ｎｕｄ＿／ｎａ，￣Ｍｅｔ￣ｔ．１９８７．＾撬２６Ｉ
叶竞被等，高蓖
物理与按物理．１９９０，
金炳年荨，高能物理与按物理．Ｉ９旺１在Ｉ锦
Ａｄｅｖａ，Ｂ
吐，Ｐ Ｌｄ ｃ．．１９８９，抛５０９．
Ａｄｅｖａ，Ｂ ｄ ａ／．．尸 ．，Ｉ９８９，瑚
：ｍ
Ａｄ啪．Ｂ ａ／．．Ｐ｝ Ｌｄ ．１９９０，瑚：１０
Ａｄｍ，Ｂ． ．Ｐ｝ Ｌ
ｄ ．１９９０，枷１３矗
Ａｄｍ．Ｂ ．‰Ｌｄ ．１９９０，瑚１２２
Ａｄｍ．Ｂ日
．Ｐｆ ．Ｌ鲥．１啪．Ｍ１Ｅ：４１ｈ
Ａｄｍ．Ｂ ｄ ． Ｌｄｌ Ｉ９９０．姗Ｉ７７
＾ｄ帆Ｂ ｄ ． Ｌｄｌ Ｉ９９０，姗：４７３
＾ｄ帆Ｂ ｄ ，Ｐ帆Ｌｄｆ Ｉ９９嘎 ●９
Ｂ＝３４Ｉ
Ａ ｑ，Ｂ 吐，尸 ．Ｉ９９０，２穗：奶
Ａｄｍ，Ｂ ｄ ． Ｐｈ Ｌｄ
ｔ．．Ｉ９ ２一融：姒
Ａｄｍ，Ｂ ｏ／．．Ｐ帆Ｌｄ ．ｔ９９０，２穗：２２
Ａｄｍ
．Ｂ ． Ｌｄ ．１９９０，２邬Ｂ：】９９
Ａｄｍ．Ｂ ｄ ．Ｐ帆Ｌｄ ．】９９０．２邬Ｂ：
２０３
Ａｄｍ．Ｂ ｄ ． Ｌ州．Ｉ９９０，２５１Ｂ：３ｌｌ
Ａｄ吖ｄ．Ｂ ｄ ．Ｐ
钾 Ｌｄｆ．Ｉ９９０．烈Ｂ：匏Ｉ
Ａｄｍ，Ｂ ｄ Ｌｄｆ．Ｉ９９０．２ Ｉ８３
Ａｄ
ｍ，Ｂ ｄ吐．尸ｆＢ ．Ｉ９９０， 龃＝５１ｌ＿
Ａｄｍ，Ｂ ｄ ｏ／．．Ｐ Ｌｄ ． Ｉ９
９０，２Ｓ趣＝５１８
Ａｄｍ．Ｂ 吐．Ｐ｝Ｂ Ｌｄ ．．Ｉ９９０，２锄：７０３
Ａｄ
ｍ，Ｂ ｄ ．Ｐ＾强Ｌｄ １９９０，２锄：５２５
＾ｄｅⅧ．Ｂ ｄ ．哪Ｌｄ ．】９９０．２
锄：７Ｉ３
Ａｄｍ．Ｂ ｄ ． ’ 恤Ｌｄ ．Ｉ９９Ｉ．２Ｓ７Ｂ＝４６９
＾ｄ帆Ｂ
ＰｆＢ Ｌｄｔ．Ｉ９９Ｉ．２苎 ４５０
Ａ ，Ｂ ．‰ ｌ９９Ｉ ２５９Ｂ＝Ｉ９９
Ａｄｍ Ｂ ，Ｐ帆Ｌｄ ｃ． Ｉ９９ｌ、筠ＩＢ ｌ６９
Ａｄｍ．Ｂ ．‰Ｌｄ ．１９９Ｉ ２
６１Ｂ Ｉ７７
Ａｄｅ＇ｃａ Ｂ ．ｚ 州｝血ｒ ．１ Ｉ．ｔ２５１：ｌ
Ａｄ Ｂ
ｄ Ｐ帆Ｌｄｆ．Ｉ９９１． ２Ｂ＝Ｉ５５
Ａｄｍ．Ｂ ．尸帆Ｌｄ ．Ｉ９９ｌ，姗：５５ｌ <
br>Ａ ．Ｂ ．Ｐ ．，Ｉ９９ｌ＿２６砸：４５】
Ａｄｍ，Ｂ ．，ｌｈ Ｌｄｆ．１９９Ｉ，
珊：ＩｌＩ
Ａｄｍ．Ｂ ｄ ． Ｌｄｆ
．
１９９Ｉ．玎１Ｂ：４６Ｉ
第
３卷
阿 例