27章:地球科学家的虚拟玩具对撞机

    27章:地球科学家的虚拟玩具对撞机 (第1/3页)

    对撞机

    对撞机(collider)用高能粒子轰击静止靶[1]（粒子）时，只有质心系中的能量才是粒子相互作用的有效能量，它只占实验室系中粒子总能量的一部分。如果射到靶上的粒子能量为E，则对靶中同种粒子作用的质心系能量约为(E为粒子的静止能量)。可见，随着Eo的增高，用于相互作用的那部分能量所占的比例将越来越小，即被加速粒子能量的利用效率越来越低，但是，如果是两个能量为E的相向运动的同种高能粒子束对撞，则质心系能量约为2E，即粒子全部能量均可用来进行相互作用。可见，为了得到相同的质心系能量，所需的加速器能量将比对撞机大得多。如果对撞机能量为E，则相应的加速器能量应为2E2/E。例如，能量为2×300GeV的质子、质子对撞机，同一台能量o为180000GeV的质子加速器相当，建造这样高能量的加速器。在目前的技术水平及经济条件仍然是不可及的。但建造上述能量或更高一些能量的对撞机是完全可行的，这就是近20年来对撞机得到广泛发展的原因之一。

    对撞机的主要指标除能量外还有亮度。所谓对撞机的亮度是指该对撞机中所发生的相互作用反应率除以该相互作用的反应截面。显然亮度越高对撞机的性能就越好,1986年时对撞机达到的亮度约在1029～1032cm－2·s－1。

    发展历史

    20世纪50年代初，加速器的设计者就有过利用对撞束来获得更高质心系能量的设想，但是鉴于加速器中束流的强度太低,束流密度远低于靶的粒子密度,双束对撞引起的相互作用反应率将比束流轰击固定靶时发生的反应率低106倍,这样,很难进行最低限度的测量,这种设想就没有得到应有的重视，1956年人们开始懂得依靠积累技术，可以获得必要强度的束流，从而使对撞机的研究真正被提到日程上来。

    正负电子对撞机的造价低，技术简单，因此它是首先研究的对象。最初的两台对撞机是1961年投入运行的，不久又相继出现了好几台低能量的电子对撞机。里希特就是在美国斯坦福直线加速器中心的正负电子对撞机SPEAR上发现著名的J/ψ粒子的（同时在美国布鲁克海文国家实验室由丁肇中教授发现），为近代高能物理的发展作出了很大的贡献，正是由于这一成就为后来人们下决心建造更大的正负电子对撞机起了决定性的作用。

    目前建成的质子对撞机如欧洲核子中心代号ISR的交叉储存环，其能量为2×31GeV，它于1971年已投入运行。

    由于电子冷却及随机冷却技术（见加速器技术和原理的发展）的成功,使反质子束的性能大大得到改善,而且束流可以积累到足够的强度，从而有可能在同一环中进行质子－反质子对撞。欧洲核子中心于1981年将一台能量为400GeV的质子同步加速器（即SPS）改建成质子－反质子对撞机，并于1983年取得了极其重要的实验成果，发现了±、Z0粒子。

    对撞机特点

    与同步加速器极为相似，对撞机呈环形，沿环安放着磁铁系统、高频系统、真空系统以及探测和校正系统等。此外，它沿圆环还有两个或两个以上专供对撞用的特殊长直线节，探测仪器就被安置在长直线节内的对撞点附近的空间中。使电荷相反，静止质量相同的两束粒子相碰比较简单，只要建立一个环就行了。如果是电荷相同的同种粒子相撞，就必须要建立两个环。两个环的外加磁场方向相反。这两个环可以建在同一平面中，使其在几个交叉的地方进行对撞；也可以建立在上下两个不同平面中，用特殊的电磁场使两种粒子在长直线节内相撞，此外，高能量的对撞机还需要用一台高能加速器（一般用同步加速器或直线加速器）作为注入器，先把粒子加速到一定能量,再注入到对撞机中去进行积累,进一步加速及对撞。积累、加速及对撞是对撞机的三大机能，所谓积累是设法把高能加速器在不同时间加速出来的脉冲粒子束团积累在对撞机环形真空室（称为储存环）中。一般需要积累几十或上千个束团，才能达到对撞所需的强度。电子同步加速器的束流团的积累是依靠同步辐射来完成的，同步辐射虽然使同步加速器的能量难于进一步提高，但却使得电子束的横向及纵向的尺寸在加速过程中大大收缩，即密度大大提高，利用这一特性就可以积累一股很强的电子束流。质子却没有这种特性，这就需要用动量积累过程来得到强流质子束。积累以后，对撞机还可以将注入其中的高能粒子进一步加速到更高的能量，对撞机的这一作用与普通的同步加速器完全一样，粒子的能量是由安置在圆环上的高频加速腔供给的，在整个加速过程中，对撞机的磁场逐渐上升，高频腔的频率也被严格控制得与被加速粒子的回旋频率一样或成整数倍，从而使粒子不断地被加速到更高能量。当粒子被加速到预定能量后，对撞机的磁场就被维持在相应的恒定值上，粒子束就在环形真空室中不断地回旋，两束并在对撞区域内某点发生对撞。这时布置在对撞区周围的测量仪器,就可对碰撞时发生的事例不断地进行测量,剩下的没有起反应的粒子将继续在环里回旋运动，等到下一次到达对撞区时再度发生对撞。一直到束流的强度降低到不能再作物理实验为止，这时两股束流

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