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1、“超级”，不仅是指其体积大，设备复（简 称所 的 电 子 , 质 子 对 撞 机展开了一场建造正负电子对撞机的伏），以及日本高能加速器研究组织基本粒子，必须借助具有相当能量中心以往建造的一系列多级加速器超级粒子加速器欧洲大型正负电子对撞机众所周知，粒子的加速器和对家实验室的名为“*#+ 能级加速器” 撞机对于研究粒子物理来讲，是重的质子 , 反质子对撞机（简称 -./0欧 洲 要而又必不可少的实验设备。但什1234，最大能量为 56& 亿电子伏），大型正负电子对撞机构造 么是 “超级粒子加速器”呢？所谓位于德国汉堡电子同步加速器研究6& 世纪 & 年代，欧洲和美国杂，动辄占地数十平方公里，更主
2、要7#89， 最 大 能 量 为 %& 亿 电 子竞争，欧洲核子研究中心为了占据 是指加速器的能量高。因为要想打伏），美国能源部所属布鲁克海文国在粒子物理研究领域的领先地位， 破质子和中子，克服束缚内部基本家 实 验 室 的 相 对 论 重 粒 子 对 撞 机动 工 建 造 了 大 型 正 负 电 子 对 撞 机 组分的强作用力，发现更小的新的（简 称 87:(， 最 大 能 量 为 亿 电 子（#$）。为了节省建设经费，它由该的加速器才有可能。另一方面，要 的 强 流 质 子 加 速 器 （简 称 ; , 串联而成，包括电子直线加速器、正 想 分 析 质 子 和 中 子 的 内 部 微 观
3、结 $98(， 最 大 能 量 为 )& 亿 电 子 电子积累环、质子同步加速器、超级 构，由于观测的尺度非常小，按照量 伏）。相比之下，北京正负电子对撞 质子同步加速器，加上新建的对撞 子理论海森堡不确定性原理，需要 机的最大能量只有 %) 亿电子伏。 机设备，构成为一套连续性的电子 具有极高能量，即极短波长的辐射， 下面将简单介绍这些超级加速 加速装置，使能量不断提高，每台加 而这也需要极高能量的加速器来产 器的现状和所从事的科研内容。 速器将束流加速后注入到下一台加 生。事实上，以往粒子物理学的大量突破性的发现都是依靠日益强大 的高能加速器才取得的。在当今的世界上，称得上“超级 粒子加速
4、器”的只有 ! 台，分别为位于日内瓦欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机（简称 #$，最大能 量为 %& 亿电子伏），位于美国斯 坦福直线加速器中心的斯坦福直线 对撞机 （简称 (，最大能量为 )& 亿电子伏），位于美国芝加哥费米国伏，质子为 ( 万电子伏，铅离子为 &!( 万电子伏。正电子积累环将电子直线加速 器引出的 $ 亿电子伏的正电子注入 正电子积累环后进行积累，达到足 够强度后引出，并与电子直线加速 器引出的电子束一起注入质子同步 加速器。子，在电子枪中从金属表面获得电子和在电子回旋加速器共振源将铅 原子的电子壳剥离。另外，在原有的质子同步加速 器附近又新建了增强器，由环和束 流传输
5、区的设施组成。增强器的环 由 %$ 周期结构组成，每个周期结构 有一组基本上相同的磁铁，包括弯 转磁铁、# 块四极磁铁、弯转磁铁加 一个直线节，直线节里包括冲击磁 铁、切割磁铁、高频腔、束流监测器 等部件。束流传输区的设施包括注 入线和引出线，引出线将增强器来 的束流引出并重新组合。超 级 质 子 同 步 加 速 器 建 于%+$ 年，它的主加速器平均直径达!( 米，深埋于地下，有 % 层楼那 么高。%+*# 年改造成能量分别为&( 亿 电 子 伏 的 质 子 , 反 质 子 对 撞机，来自质子同步加速器的质子 和反质子可在这里加速到 !( 亿 电子伏，然后进行对撞，这样所得到 的质心系能量相
6、当于 %-./ 的静 止靶加速器进行同类实验所能达到速器里，逐渐将束流加速到很高的能量。这 台 正负 电 子 对 撞机 周 长 ! 公里，主环跨越法国和瑞士国界，占 地 #$ 公顷，总投资 $ 亿美元，由 %& 个成员国共同承担。对撞机安装在 地下 ( 至 % 米深的隧道中，隧道 截面为圆形，直径 #) * 米。主环上有&* 块 #$ 米长的二级磁铁、$ 块 四极磁铁、(& 块六级磁铁、(& 块 二级校正磁铁，以及 !$ 个超导高 频腔。对撞区采用 * 块超导四极磁 铁。%+*+ 年 * 月 %# 日实现首次对撞 ，最 终 正 负 电 子 能 量 分 别 达 到%( 亿电子伏。其中，电子直线加
7、速器长 $( 多米，先由一段 ! 亿电子伏的高流 强直线加速器提供电子束，打在钨 靶上产生正电子，再由第二段加速 器将正电子加速到 $ 亿电子伏，移 开钨靶并减少场梯度，将电子也加质子同步加速器建于 !( 世纪( 年代，是欧洲核子研究中心最早 建设的加速器，%+ 年开始连续运 行。它的直径为 !( 米，当时是世界 上功率最大的加速器。此次对原有 的 质 子 同 步 加 速 器 进 行 了 重 大 改%+%+ 年 ，英国科学家卢 瑟福用天然放 射源中能量为 几 百 万 电 子 伏 、 速 度 为! 0 %(+ 厘 米 1 秒的高速 ! 粒子束 （即氦核）作 为 “炮 弹 ”， 轰 击 厚 度 仅
8、 为化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构， 从而激发了人们寻求更高能量 的粒子来作为 “炮弹”的愿望。 静电加速器 （%+!* 年）、回旋加美国科学家柯克罗夫特和爱尔兰 科学家沃尔顿建 造成世界上第一 台 直 流 加 速 器柯克罗夫特, 沃尔顿直流高 压加速器，以能量为 &( 万电子 伏的质子束轰击锂靶，得到 ! 粒子和氦的核反应实验。这是 历史上第一次用人工加速粒子 实现的核反应，二人因此获得粒子加速器的发展历史速 器（%+!+年）、倍压加速器 （%+#! 年）等 不 同 设 想 几 乎 在 同 一 时 期 提 了出来。“靶”，() (& 厘米的金属箔的实现了人类科学史上第一
9、次人工核反应。利用靶后放置的硫年 ，%+#!用非常大，在每个连续的周期内，能 器，又称反物质工厂，它通过高能对 够处理不同的粒子束流。束流然后 撞产生反氢原子，然后将其冷却，减 注入到超级质子同步加速器、大型 速到便于运用的能量，最后将其引 正负电子对撞机进一步加速。 出，提供给物理学家们研究光谱学来自质子同步加速器的质子束和检验物质的基本对成性。 流也用来产生反质子。&% 世纪 % 年代末，欧洲核子 研 究 中 心 建 造 了 一 台 反 质 子 积 累 器，其主要任务是产生和积累高能的能量，亮度高于同时期美国费米反 质 子 注 入 到 超 级 质 子 同 步 加 速 实验室的 ()*+,-
10、./ 质子 0 反质子对器，以便将其改造成一台质子 0 反 撞机。质子对撞机。有了反质子后，物理学 超级质子同步加速器后来作为家们认为如果在低能时用这些反质质子 0 反质子对撞机、重离子加速 子会更有收获。所以该中心又建造 器和大型正负电子对撞机的正负电 了一台低能反质子环。反质子积累 子注入器，它也可将铅离子加速到 环中积累的反质子被引出，在质子!% 亿电子伏，这是目前世界上获同步加速器中减速，然后注入到低物理实验项目 得的最高的能量，用于研究大爆炸能反质子环进一步减速。利用大型正负电子对撞机产生 后可能存在的夸克胶子等离子体。以后又在反质子积累器附近建的带电粒子束流，让它打固定靶的质子和重
11、离子束进入 !% 亿电造了第二个环，即反质子收集器，以原子，或与来自相反方向同样的束 子伏的增强器提供能量后再注入到便将反质子的产生率提高 !% 倍。反流发生对撞，在这两种情况下，都产质子同步加速器。电子先存储起来， 质子收集器现已改造为反质子减速生大量的新粒子。物理学家们利用然后在正负电子积累环中进一步加探测器对每个粒子进行计数，跟踪速。电子束与重金属靶对撞产生正和描述其特征，研究许多粒子间的电子，也存储在正负电子积累环里相互作用过程。这些实验主要分为并加速。固定靶实验和对撞实验两类。 随后，所有粒子束流通过质子固定靶实验研究粒子束与靶原同步加速器，每个加速周期需 &1 2子对撞后发生了什么
12、。靶反冲中用 秒。质子同步加速器的控制系统作去多数的束流能量，只剩下少部分了 !#! 年的诺贝尔物理奖。器的工作原理，劳质子加速到 &#% 万电子伏左右，如!$ 年，美国科学家凡德格拉伦 斯 于 !$& 年 建将加速器磁场的强度设计成沿半径 夫发明了使用另一种产生高压方法成 了 第 一 台 直 径方向随粒子能量同步增长，则能将 的高压加速器凡德格拉夫静电为 & 厘米的回旋质子 加速到 上亿电 加速器。以上两种粒子加速器均属回速器，它能将质子伏，称为等时性回直流高压型，它们能 子 加 速 到 !% 万 旋加速器。加 速 粒 子 的 能 量 受 电子伏，并用它产 带 电 粒 子 加 速 高压击穿所
13、限，大约 生了人工放射性同位素，为此获得 器自 $% 年代问世以 为 !% 万电子伏。 了 !$ 年的诺贝尔物理奖。这是加 来，主要是朝更高能!$% 年 ， 美 国速器发展史上获此殊荣的第一人。量的 方向发 展。在实 验 物 理 学 家 劳 伦由于被加速粒子质量、能量之这个过程中，任何一种加速器都经 斯 提 出 了 回 旋 加 速间的制约，回旋加速器一般只能将过了发生、发展和加速能力或经济，特别的特性。-./,0- 实验-./,0- 装 置 将 来自反质子减速器的 反质子加以减速、冷却 和捕获。反质子在称 为潘宁陷阱的电磁高 真空中被捕获，同时来 自放射性源的正电子 累积在另一个陷阱里， 两群
14、带电粒子（约 ! 万 反质子，1$ 万正电子）混合在一起产生反氢原子。形成的反氢 原子因为不带净电荷， 从电磁陷阱中逃逸出来，然后湮灭， 被 一 个 特制 的 探 测 器探 测 到 。 -2./,0- 还测量反氢原子光谱，并与 氢原子加以比较，以修正目前的物质与反物质模型。-.3-4 实验 制造冷反氢原子，然后减速、冷却，最后在 #5 &6 的绝对温度中储 存起来。通过对反质子的检测表明，反质子降速环上，反质子便可在陷阱中而不是在储存环中累积而被捕 获。-(-89(- 实验 是在低能反质子环和反质子减速器上开展反质子氦研究的一个项能量创造新的粒子。在固定靶实验中，所产生的粒子一般都向前飞行， 所以实验通常都用锥型探测器，放 在光束线的下游。对撞实验研究两个按相反方向 运动的粒子束发生的对撞，所有的 能量都可用来产生新的粒子。新产 生 的 粒 子 从 对 撞 点 向 各 个 方 向 辐 射，所以探测器大都是球型或圆柱 型。在大型正负电子对撞机近 !& 年 的运行中，进行的各项实验详细研 究了电磁和弱力物理的各个方面， 对 标 准 模 型 进 行 了 极 为 精 确 的 检 验。()*+,（在线同位素质量分离 器）位于质子同步加速器增强器， 是一个独特的低能不稳定放
