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■ 曹俊 / 文
老式显像管电视机或电脑显示器，由电子枪发射热电子，用高压包产生2万伏电压加速电子，打在屏幕上产生图像。 1个电子经过2万伏电场加速，获得的能量为2万电子伏。 环形的正负电子对撞机或质子-质子对撞机 高能物理研究一般用环形的正负电子对撞机或质子-质子对撞机。 一团团的电子或质子用微波初步加速到一定能量，注入储存环继续加速，达到设定能量后对撞。每次只有极少数粒子能撞上，粒子束团继续在环内运行数亿甚至百亿圈，反复对撞。 通俗地说，能量越高，看到的尺度越小： 1 GeV × 1 fm = 5.0677 也就是说能量1 GeV（10亿电子伏）对应0.2 fm（1 fm等于10的负15次方米，是一个原子核的大小）。 正负电子对撞机 电子质量轻，在环内转弯时发出强的同步辐射光，环越小能量损失越大，且转弯所需的磁场越强。 史上最强的是欧洲核子研究中心的LEP，27公里隧道，最高能量209 GeV。 曾经认为LEP就是环形正负电子对撞机的极限，能量更高时，应采用效率更高的直线对撞。但此后几项技术突破使环形机器的效率提高了100倍以上。 质子-质子对撞机 质子质量重，辐射损失小，容易加到比较高的能量。 史上最强是LHC，它使用LEP的隧道，能量高70倍。 但每个质子由三个夸克组成，有效的只是两个夸克对撞，产生复杂的本底，远不如电子对撞干净，不适合做精确研究。 LHC鸟瞰 直线对撞机 如果要将电子加到很高的能量，不用环形而用直线，一次性加速对撞更好。 史上最强是斯坦福的SLC 50GeV。 日本计划中的国际直线对撞机ILC已开展设计和研发十几年，能量500GeV，造价100亿美元（日本文部省2016年数字），10年能产生20万个希格斯粒子。但不幸2012年发现的希格斯粒子质量比预期轻很多，仅125GeV，此时ILC性价比不如环形对撞。 CEPC造价60亿美元，10年能产生100万个希格斯粒子。造价一半，效率高5倍。
缪子对撞机 如果用比电子重210倍的μ子，既干净，能量损失又小。但μ子对撞始终停留在纸上，因为μ子通过质子打靶产生，要将向四面八方飞散的μ子收拢（称为μ子冷却）并继续加速是非常困难的。 有一个验证装置MICE，但离实用还很远。 卢比亚建议CERN下一步修建μ子对撞机，与CERN规划的环形对撞机相比，不用跨日内瓦湖。他认为μ子对撞技术可以实现，但认可的人很少。 该技术也可用来产生高质量中微子束流，称为中微子工厂。 缪子对撞机位置示意图 新加速原理 新的加速原理实际上只有尾场加速(wakefield acceleration)，利用激光或粒子束团产生等离子体尾场，用来加速粒子。该原理37年前提出，目前有几十家机构在研究，现在已经能将电子加速到几个GeV。 一般来说，激光尾场加速得到的电子能量正比于激光功率，1拍瓦（10的15次方）激光能产生1GeV的电子。 激光功率的国际最高值是上海光机所前几天报道的5拍瓦。 在可展望的未来，激光尾场加速有可能在需要GeV电子的医疗、光源、工业等方面获得应用，但由于这样得到的电子品质不高，跟μ子对撞的困难一样，多级加速在原理上始终未解决，至少这二三十年看不到任何在高能物理上应用的前景。 来源：“曹俊IHEP“微博2016年9月13日 |
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