对撞机

粒子物理仪器。在高能同步加速器基础上发展起来的一种装置；可获得加速器达不到的高能量利用率。例如，能量为2×300GeV的质子-质子对撞机，同一台能量为180000GeV的质子加速器相当。近30年来发展起来的高能加速器，多数都是对撞机。美国费米实验室名为TEVATRON的对撞机，1988～1989年实现了2×900GeV的质子-反质子对撞。已建成的最高能量的电子-正电子对撞机，有美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的直线对撞机(SLC)和西欧核子研究中心(CERN)的大型正负电子对撞机(LEP)，能量都达到2×50GeV。中国自行设计并于1988年建成的北京正负电子对撞机(BEPC)，最高能量2×2.8GeV。

对撞机duizhuangji

高能物理实验中，使两束高能粒子相对碰撞的装置。随着高能物理研究的发展，人们越来越要求进行更高能量的实验。60年代以前，都是利用高能粒子去轰击实验室中静止的靶，以产生新的粒子，这种装置叫单束机。它用于产生新粒子的能量只占入射能量的一小部分。例如a+b→c+d的二体反应，a为入射粒子，b为靶粒子。在实验室系中，b的动量为零，入射粒子a以一定的动量和能量E轰击b，产生c+d两个新粒子。c+d的总动量必须和a的动量相等，才能使动量守恒定律满足。因此，a的一部分动量用于维持c+d的动量，这时用于产生c+d这两个新粒子的的a b之间有效相互作用能只占a的入射能量的一小部分。而且，a的能量越高，有效作用能所占的比例越小。如果利用两束动量相等的粒子（例如正电子和负电子）迎头相撞，由于碰前在实验室中其总动量为零，那么产生的新粒子的总动量也是零。正电子和负电子的有效相互作用能量就要高得多。图1表示高能粒子的能量与有效相互作用能之间的关系。曲线1,2,3分别是同样能量的电子与正电子，电子与质子，质子与质子对撞的相应曲线。4、5、6分别是电子轰击静止的质子，质子轰击静止的质子以及电子轰击静止的电子的相应曲线。计算表明，两个216兆电子伏的质子束对撞的作用相当于10 000兆电子伏的单束机的效果。基于这种考虑，肯斯特(Kerst)和他的同事们以及奥奈勒(O’neill)于1956年提出了对撞机的设想。它是在高能同步加速器基础上发展起来的一种装置，和同步加速器很相似，它由环形磁铁系统、真空系统、高频加速系统、注入系统以及束流测量、校正、电源和控制系统组成。其主要作用是积累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流。到一定束流强度及一定能量时，使其相对碰撞。如果对撞的两种粒子电荷相反，静止质量相同(如电子与正电子，质子与反质子)，则可以在同一个环形磁铁系统里反方向回旋对撞，如图2。如果对撞的两种粒子电荷相同，（如质子和质子），或者虽然电荷相反但质量不同（如质子和电子），则要在两个环形磁铁里才能反向回旋。这时，两个环可以有几个交叉点，在交叉点可能发生碰撞，如图3。粒子要先在另一台加速器里加速到一定能量，然后才注入到对撞机进行对撞。那台加速器叫注入器，可采用直线加速器或同步加速器。两束粒子对撞发生的概率远远小于单束机，为了提高对撞概率，要把注入器注入的粒子流积累起来，提高粒子流强度，还要加强对撞点附近的聚焦力。实现对撞的环形加速器又称为储存环。

图2

图3

我国的北京正负电子对撞机(22兆电子伏)已于1988年建成并一次对撞成功。目前世界上最大的粒子加速器是欧洲的莱泼正负电子对撞机。它座落在法国和瑞士边界，于1989年7月建成，最大能量为1 000兆电子伏。