什么是对撞机

    顾名思义，对撞机是一种让某种东西在其中对撞的机器。在研究高能物理用的对撞机里，对撞的可不是一般的东西，而是被加速到接近光速的微小粒子。因此，这里说的对撞机就是加速带电粒子并在其中进行对撞的加速器。对撞机是探索物质微观世界的有力工具。为了说明这个问题，还是让我们从头谈起。

    人类赖以生存的世界是物质的，而物质世界是无限的。图1展示了物质世界的尺度和学科分野。这张图来自格拉肖十多年前应邀在高能物理研究所作的题为“高能物理的未来”的演讲。这位与温伯格和萨拉姆一起建立电弱统一理论而分享1979年诺贝尔物理奖的哈佛大学著名教授，用一条蛇向听众讲述了物质从宇观的天体、宏观的物体、介观的团簇直到微观的粒子的生动故事。谈到这条“格拉肖蛇”的首尾相衔，他强调这并不意味着天体物理把粒子物理吞没，而是指在足够小和足够大的尺度下，两者具有统一的理论，即电、弱、强和引力相互作用“合四为一”。

图1 物质世界的尺度和学科分野

    作为一门基础科学中的前沿学科，粒子物理研究作为构成我们赖以生存的物质世界的“砖块”的“基本粒子”。粒子物理研究旨在回答一系列最基本的问题：宇宙间所有的物质与能量的基本要素是什么？我们所看到的物质的组成和性质及其转变规律是什么？上个世纪以来，人类对于物质结构的认识，从原子分子层次、原子核层次，质子中子层次，逐步深入到强子内部，达到夸克和轻子的层次；了解到自然界的四种相互作用都是通过相应的媒介子传递的：光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强作用，而引力子传递引力作用；每一种粒子都有它们的反粒子。人们所熟悉的构成原子核的质子和中子，就是由上夸克（u）和下夸克（d）所组合而成的，称为第一代夸克，对应的第一代轻子是电子（e）和电子中微子。后来又发现了第二代的奇夸克（s）和粲夸克（c），对应的第二代轻子为子和中微子。属于第三代的是底夸克（b）和顶夸克（t），对应轻子为t子和t中微子。

    “基本”粒子如此微小，如何对其进行研究呢？粒子加速器是研究微观粒子的“显微镜”。用加速器作为“显微镜”研究物质微观结构，其分辨能力(de Broglie 波长）与作为“探针”的粒子束流的能量E相关：

    这里，p为粒子动量，为普朗克常数，c为光速，为相对论速度，当粒子速度接近光速时。我们把h、c和代到上面的式子里，就得到一个非常简单的关系：探针束流能量。从这个式子里，我们可以看出，用于探测物质结构的“探针”束流的能量愈高，其研究的分辨率也就愈高。因此，要探索更深层次的微观世界，研究更微小的粒子，就需要更高能量的加速器。这就出现了一个有趣的现象：研究的对象愈微小，需要的设备愈庞大。

    用这个关系，我们就计算不同尺度的微小对象所需要的“探针”束流的能量和相应的观测工具，列于表1中。

表1 微小对象的尺度和相应的观测方法

 

观测 对象	尺度 (cm)	探针能量	实验工具
细胞/细菌	10-3~10-5	0.1~10eV	光学显微镜
分 子	~10-7	~1keV	电子显微镜同步辐射等
原 子	~10-8	~ 10keV	同步辐射等
原子核	~10-12	>100MeV	低中能加速器
强 子	~10-13	>1 GeV	高能加速器
夸克、轻子	<10-16	>1TeV	对撞机

     在上面的表格里，eV（电子伏）是粒子能量的单位，为电子通过1V电位差所得到的能量，尔格。而尔格。读者可能会问，这不是一个很小的能量吗，为什么叫高能呢？实际上，对于微观粒子来说，这就是很高的能量了，要使每个粒子获得这么高的能量，需要十分庞大的加速器。而对撞机比普通的打静止靶加速器更有效地达到高相互作用能量。

 

   为什么要造对撞机

粒子物理深入到更微小的层次，也就是向“格拉肖蛇”的尾部挺进，就要求有更高能量的加速器。这里说的“更高能量”是指“打碎”粒子有效的能量，也就是质心系能量。打个比方，一辆汽车追尾撞向停在前面的汽车，往往是把车子推向前走，造成汽车的损坏比起迎面相撞的汽车就小得多。

    著名的意大利物理学家费米在1954年曾提出一个质心系能量为3 TeV的加速器设想。那时侯，还没有对撞机的概念，下面我们将看到，为了得到Ecm=3TeV需要用E=5000TeV 的束流与静止靶中的质子相互作用，如采用2 T的主导磁场，5000 TeV的同步加速器的偏转半径约为 8000 km，比地球的半径还要大。图2是这台地球加速器的构想图。当时估算这台地球加速器的造价为1700亿美元，需要40年建成。显然，这只是一个梦想。

对撞机能够使费米之梦成真。

    高能物理需要寻找新粒子，研究新反应，就要尽可能把粒子“撞坏”、打开，因而关心的是质心系能量或有效作用能。在打静止靶情况下，有效作用能

 

    即大部分能量浪费在对撞粒子及其产物的动能上。这里，为粒子的静止能量。对撞机则可使束流的能量得以充分利用：

 

    在高能加速器中，E远大于，因此对撞机可以大大提高有效作用能量。让我们再回到“地球加速器”的例子。美国费米国立加速器实验室（FNAL）的Tevatron已经实现了0.9TeV的质子和0.9TeV的反质子对撞，把质心系能量推进到1.8TeV ，离费米之梦已近在咫尺。而正在欧洲核子中心（CERN）建造的大型强子对撞机LHC将能把质子加速到7TeV并进行对撞，质心系能量达14GeV，对撞机的周长为27km，远小于“地球加速器”的周长，预期在2007年建成。

 

图2 费米构想的地球加速器

    对撞机赢得了有效作用能，但要获得能与打静止靶加速器相比拟的反应事例率，必须提高对撞亮度（定义为事例率与反应截面的比值），这对加速器物理和技术提出了诸多挑战。

     对撞机在粒子物理近40年激动人心的进展中崭露头角，已成为一种占主导地位的高能加速器。20世纪70年代粒子、轻子和粒子等都是同时或相继在打静止靶加速器和对撞机上获得的，而能量更高的中间玻色子以及近年发现的t夸克，则是在对撞机上找到并加以研究的。