對撞機

對撞機是在高能同步加速器基礎上發展起來的一種裝置，其主要作用是積累並加速相繼由前級加速器注入的兩束粒子流，到一定束流強度及一定能量時使其在相向運動狀態下進行對撞，以產生足夠高的相互作用反應率，從而便於測量。對撞機是測量高能粒子實驗的儀器，目的是要發現‘新物理-新粒子’，包括場能效粒子-超對稱粒子-超額維度量子等。同時對撞機也是一種‘粒子機制’的規律，是超出‘粒子標準模型’以外的新物理-新粒子探索，並自然界在存在著‘正負電子對撞機體’和‘中子與電子的非常規耦合’體制機制。所以對撞機在高能粒子物理-凝聚態-粒子天體物理有很重要的建造意義。

基本介紹

• 中文名：對撞機
• 外文名：collide
• 功能特點：相碰比較簡單
• 類型：質子－質子對撞機
• 性質：高能同步加速器基礎上的裝置

研究歷史

20世紀50年代初，加速器的設計者就有過利用對撞束來獲得更高質心繫能量的構想，但是鑒於加速器中束流的強度太低，束流密度遠低於靶的粒子密度，雙束對撞引起的相互作用反應率將比束流轟擊固定靶時發生的反應率低106倍，這樣，很難進行最低限度的測量，這種構想就沒有得到應有的重視，1956年人們開始懂得依靠積累技術，可以獲得必要強度的束流，從而使對撞機的研究真正被提到日程上來。

正負電子對撞機的造價低，技術簡單，因此它是首先研究的對象。

最初的兩台對撞機是1961年投入運行的，不久又相繼出現了好幾台低能量的電子對撞機。B.里希特就是在美國斯坦福直線加速器中心的正負電子對撞機SPEAR上發現著名的 J/ψ粒子的（同時在美國布魯克海文國家實驗室由丁肇中教授發現），為近代高能物理的發展作出了很大的貢獻，正是由於這一成就為後來人們下決心建造更大的正負電子對撞機起了決定性的作用。

目前建成的質子對撞機如歐洲核子中心代號 ISR的交叉儲存環，其能量為2×31GeV，它於1971年已投入運行。

由於電子冷卻及隨機冷卻技術（見加速器技術和原理的發展）的成功，使反質子束的性能大大得到改善，而且束流可以積累到足夠的強度，從而有可能在同一環中進行質子－反質子對撞。

歐洲核子中心於1981年將一台能量為 400GeV的質子同步加速器（即SPS）改建成質子－反質子對撞機，並於1983年取得了極其重要的實驗成果，發現了W±、Z0粒子。

主要原理

對撞機(collider）用高能粒子轟擊靜止靶（粒子）時，只有質心繫中的能量才是粒子相互作用的有效能量，它只占實驗室系中粒子總能量的一部分。如果射到靶上的粒子能量為 E，則對靶中同種粒子作用的質心繫能量約為 (E為粒子的靜止能量）。可見，隨著Eo的增高，用於相互作用的那部分能量所占的比例將越來越小，即被加速粒子能量的利用效率越來越低，但是，如果是兩個能量為 E的相向運動的同種高能粒子束對撞，則質心繫能量約為2E，即粒子全部能量均可用來進行相互作用。可見，為了得到相同的質心繫能量，所需的加速器能量將比對撞機大得多。如果對撞機能量為 E，則相應的加速器能量應為2E²/E。例如，能量為2×300GeV的質子、質子對撞機，同一台能量o為 180000GeV的質子加速器相當，建造這樣高能量的加速器。在目前的技術水平及經濟條件仍然是不可及的。但建造上述能量或更高一些能量的對撞機是完全可行的，這就是近20年來對撞機得到廣泛發展的原因之一。並且；對撞機機制也是一種天然粒子對撞的有效機制存在，反應了‘超對稱’‘超額維度’‘新粒子的存在，人們用 對撞機探索‘新粒子’‘新量子粒子物理’，用於人們的生活開發‘新材料’。

對撞機的主要指標除能量外還有亮度。所謂對撞機的亮度是指該對撞機中所發生的相互作用反應率除以該相互作用的反應截面。顯然亮度越高對撞機的性能就越好，1986年時對撞機達到的亮度約在1029～1032cm-2·s-1。

功能特點

與同步加速器極為相似，對撞機呈環形，沿環安放著磁鐵系統、高頻系統、真空系統以及探測和校正系統等。此外，它沿圓環還有兩個或兩個以上專供對撞用的特殊長直線節，探測儀器就被安置在長直線節內的對撞點附近的空間中。使電荷相反，靜止質量相同的兩束粒子相碰比較簡單，只要建立一個環就行了。如果是電荷相同的同種粒子相撞，就必須要建立兩個環。兩個環的外加磁場方向相反。這兩個環可以建在同一平面中，使其在幾個交叉的地方進行對撞；也可以建立在上下兩個不同平面中，用特殊的電磁場使兩種粒子在長直線節內相撞，此外，高能量的對撞機還需要用一台高能加速器（一般用同步加速器或直線加速器）作為注入器，先把粒子加速到一定能量，再注入到對撞機中去進行積累，進一步加速及對撞。積累、加速及對撞是對撞機的三大機能，所謂積累是設法把高能加速器在不同時間加速出來的脈衝粒子束團積累在對撞機環形真空室（稱為儲存環）中。一般需要積累幾十或上千個束團，才能達到對撞所需的強度。電子同步加速器的束流團的積累是依靠同步輻射來完成的，同步輻射雖然使同步加速器的能量難於進一步提高，但卻使得電子束的橫向及縱向的尺寸在加速過程中大大收縮，即密度大大提高，利用這一特性就可以積累一股很強的電子束流。質子卻沒有這種特性，這就需要用動量積累過程來得到強流質子束。積累以後，對撞機還可以將注入其中的高能粒子進一步加速到更高的能量，對撞機的這一作用與普通的同步加速器完全一樣，粒子的能量是由安置在圓環上的高頻加速腔供給的，在整個加速過程中，對撞機的磁場逐漸上升，高頻腔的頻率也被嚴格控制得與被加速粒子的迴旋頻率一樣或成整數倍，從而使粒子不斷地被加速到更高能量。當粒子被加速到預定能量後，對撞機的磁場就被維持在相應的恆定值上，粒子束就在環形真空室中不斷地迴旋，兩束並在對撞區域內某點發生對撞。這時布置在對撞區周圍的測量儀器，就可對碰撞時發生的事例不斷地進行測量，剩下的沒有起反應的粒子將繼續在環里迴旋運動，等到下一次到達對撞區時再度發生對撞。一直到束流的強度降低到不能再作物理實驗為止，這時兩股束流的壽命也就中止了。束流的壽命一般可達幾小時或幾十小時，所以作為注入器的高能加速器只有在積累過程中才把粒子束流提供給對撞機，而在對撞的過程中，還可供轟擊靜止靶的物理實驗用。為了增加對撞的幾率（即提高對撞機的亮度），70年代初期，出現了在對撞區中插入一種特殊的稱為低包絡插入節的聚焦結構，使束流在對撞點的橫截面受到強烈的壓縮，從而使對撞點的束流密度大大增加。由於採用了這種結構，使70年代建造的對撞機的亮度比以前提高了一兩個數量級。另外，為了儘可能的延長束流的壽命，對撞機環內的真空度平均不得低於 10-8～10-9 Torr，尤其是在對撞區附近。為了減少物理實驗的本底，即為了保證使束流與束流發生對撞的幾率大大超過束流與殘餘氣體相撞的幾率，真空度應維持在10-10～10-11Torr左右。所以大體積高真空這一技術也隨著對撞機的發展而發展起來了。

基本類別

電子－正電子對撞機

又稱正負電子對撞機，由於正負電子的電荷相反，所以這種對撞機只要建立一個環就可以了。相應的造價就比較低，目前世界上已建成的對撞機大部分是屬於這一類的。

但是，由於電子迴旋時引起的同步輻射損失，使這種對撞機能量的進一步提高發生了困難，因為同步輻射功率與電子的能量二次方成正比，且與迴旋半徑的平方成反比，為了減少輻射損失，一般高能量的電子對撞機均採用大半徑方案，即採用只有幾千高斯的低磁場來控制電子的運動，即使如此，目前電子對撞機的最高能量仍然受到很大的限制，例如，10GeV的電子在曲率半徑為100m的對撞機中運動時，每圈的輻射損失約為10MeV，如果對撞機中的迴旋電流為1A，要補償這束電子流的輻射損失，就需要平均功率為10MW的高頻功率。假如正電子流也為1A，則總的平均功率為20MW，由此可見，對撞機中高加速頻系統的功率絕大部分是用來補償這一同步輻射損失的。

輻射特性雖然給電子能量的進一步提高帶來了困難，但也有一定的好處，這是因為電子或正電子注入對撞機後，由於電子的輻射損失，使電子截面受到強烈的壓縮，電子很快集中到一個很小的區域中，其餘的空間可以用來容納再一次注入的電子，這樣使積累過程簡化，而且允許採用較低能量的注入器，通常採用直線加速器，也有採用電子同步加速器的。

這種對撞機中所需的正電子是由能量為幾十兆電子伏以上的電子打靶後產生的，為了得到儘可能強的正電子束，往往需要建造一台低能量的強流電子直線加速器。另外產生出來的正電子束尚需再度注入到注入器中，與電子一起加速到必要的能量，再注入到對撞機中去。由於正電子束的強度只及電子束的千分之一到萬分之一，所以需要幾分甚至幾十分鐘的積累，才能達到足夠的強度。

質子－質子對撞機

這種對撞機需要建造兩個環，分別儲存兩束相反方向迴旋的質子束，才能實行質子與質子的對撞。由於質子作迴旋運動時，其同步輻射要比電子小得多，在目前質子達到的能量範圍內，可以略去不計，因此為縮小這類對撞機的規模，儘量採用強磁場，這就需要採用超導磁體。另外，質子束的積累也不如電子對撞機那樣方便，它必須依靠動量空間的積累來實現。為此，必須首先在高能同步加速器中，將質子加速到高能（一般為幾十吉電子伏），依靠絕熱壓縮，將質子束的動量散度壓縮上百倍，再注入到對撞機中去進行積累，質子對撞機中的高頻加速系統主要是用來進行動量空間的積累及積累完畢後的進一步加速，因此所需要的高頻功率也比電子對撞機小得多。由於上述原因，質子－質子對撞機的規模要比電子－正電子對撞機大，投資也較高。

質子－反質子對撞機

質子與反質子的質量相同，電荷相反，也只需要造一個環就能進行對撞。這種對撞機發展得較晚，主要原因在於由高能質子束打靶產生的反質子束強度既弱，性能又差，無法積累到足夠的強度與質子對撞。70年代後期，“冷卻”技術的成功，給予這種對撞機巨大的生命力（見加速器技術和原理的發展）。

由於冷卻技術的成功，使得現有的高能質子同步加速器，只要它的磁鐵性能及真空度夠好的話，均有可能可以改成質子－反質子對撞機。今後再建的超高能質子同步加速器，均考慮了同時進行質子－反質子對撞的可能，由此可見，這一技術成功的意義是何等重要。

實現質子－反質子對撞雖然比質子－質子對撞能節省一個大環，但也有一定的弱點，主要是由於儘管經過冷卻及積累，反質子的強度仍然比質子的低得多，這樣使得質子－反質子對撞機的亮度比質子－質子對撞機低得多，前者最大為1029～1030cm-2·s-1，後者則為1032cm-2·s-1。

電子－質子對撞機

這種對撞機的主要困難在於電子束的橫截面很小，線度約為幾分之一毫米，而質子的橫截面較大，線度約為一厘米左右。前者束流較密集，後者較疏鬆，兩者相撞時作用幾率很小，目前正在研究中，實現這種對撞需建立兩個環，一個是低磁場的常規磁鐵環，以儲存及加速電子；另一個是高場的超導磁體環，以儲存並加速質子，兩個環的半徑相同並放在同一隧道中，所以電子的能量通常是幾十吉電子伏，質子的能量為幾百吉電子伏。隨著加速器技術的提高，為了節約投資，新建的巨型加速器，往往在一個隧道中建造三個環，以便可能進行多種粒子對撞，例如質子質子、質子－反質子，電子－正電子、質子－電子對撞。

電子直線對撞機

為避免電子作迴旋運動時同步輻射損失引起的困難，早在1965年已有人指出，在電子能量高於上百吉電子伏時，應採用直線型來進行對撞，就是說，應採用兩台電子直線加速器加速兩股運動方向相反的電子束（或正負電子束）待達到預定能量後，兩股電子束被引出並在某點相碰。碰撞一次後的電子束即被遺棄，不再重複利用。當然，只有當這些被遺棄的電子束單位時間所帶走的能量小於環形對撞機中同步輻射的損失功率，這種方案才會被考慮。另外，由於電子直線加速功率的限制，每秒能提供的電子束脈衝數是有限的，所以單位時間內發生的碰撞次數也比環形對撞機少得多，為了保證直線對撞機與環形對撞機有相同的亮度，要求在碰撞點的橫截面進一步壓縮，約比環形對撞機中的碰撞截面小几十到幾百倍，十多年來技術上的進展，使這種對撞機受到重視，有關的各種問題正在解決中。

大型強子對撞機

大型強子對撞機(Large Hadron Collider，LHC）是一座位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對撞機，作為國際高能物理學研究之用。（全球定位點：北緯46度14分00秒，東經6度03分00秒46.233333333333;6.05) LHC已經建造完成，台北時間2008年9月10日下午15：30正式開始運作，成為世界上最大的粒子加速器設施。LHC是一個國際合作的計畫，由34國超過兩千位物理學家所屬的大學與實驗室，所共同出資合作興建的。

LHC包含了一個圓周為27公里的圓形隧道，因當地地形的緣故位於地下50至150米之間。[1] 這是先前大型電子正子加速器 (LEP）所使用隧道的再利用。隧道本身直徑三米，位於同一平面上，並貫穿瑞士與法國邊境，主要的部份大半位於法國。雖然隧道本身位於地底下，尚有許多地面設施如冷卻壓縮機，通風設備，控制電機設備，還有冷凍槽等等建構於其上。

加速器通道中，主要是放置兩個質子束管。加速管由超導磁鐵所包覆，以液態氦來冷卻。管中的質子是以相反的方向，環繞著整個環型加速器運行。除此之外，在四個實驗碰撞點附近，另有安裝其他的偏向磁鐵及聚焦磁鐵。

兩個對撞加速管中的質子，各具有的能量為 7 TeV （兆兆電子伏特，），總撞擊能量達 14 TeV之巨。每個質子環繞整個儲存環的時間為 89 微秒 (microsecond）。因為同步加速器的特性，加速管中的粒子是以粒子團（bunch）的形式，而非連續的粒子流。整個儲存環將會有2800個粒子團，最短碰撞周期為 25 納秒（nanosecond）。在加速器開始運作的初期，將會以軌道中放入較少的粒子團的方式運作，碰撞周期為 75 納秒，再逐步提升到設計目標。

在粒子入射到主加速環之前，會先經過一系列加速設施，逐級提升能量。其中，由兩個直線加速器所構成的質子同步加速器 (PS）將產生50 MeV的能量，接著質子同步推進器 (PSB）提升能量到1.4GeV。而質子同步加速環可達到26 GeV的能量。低能量入射環（LEIR)為一離子儲存與冷卻的裝置。反物質減速器 (AD）可以將3.57 GeV的反質子，減速到2 GeV。最後超級質子同步加速器 (SPS）可提升質子的能量到450 GeV。

20餘名中國科學家參與強子對撞機實驗在LHC加速環的四個碰撞點，分別設有五個偵測器在碰撞點的地穴中。其中超環面儀器 (ATLAS）與緊湊渺子線圈 (CMS）是通用型的粒子偵測器。其他三個（LHC底夸克偵測器（LHCb），大型離子對撞器（ALICE）以及全截面彈性散射偵測器（TOTEM）則是較小型的特殊目標偵測器。

LHC也可以用來加速對撞 重離子，例如 鉛（Pb）離子可加速到1150 TeV。

由於LHC有著對工程技術上極端的挑戰，安全上的確保是極其重要的。當LHC開始運作時，磁鐵中的總能量高達100億焦耳（GJ），而粒子束中的總能量也高達725百萬焦耳（MJ）。只需要10?7總粒子能量便可以使超導磁鐵脫離超導態，而丟棄全部的加速粒子可相當於一個小型的爆炸。

相對論重離子對撞機

位於美國紐約長島的布魯柯海文國家實驗室的世界頂級科學研究設備——相對論重離子對撞機(Relativistic Heavy Ion Collider，RHIC）。這一頂尖級研究設備經過10年的建設，於2000年正式運行。來自世界過各地的數百名物理學家，試圖利用RHIC研究宇宙起源的最初時刻所發生的事情。該加速器驅動兩束金離子束流對撞，以求幫助科學家理解從最小的粒子物理世界到最大的恆星世界的運作方式和原理。

2015年3月26日訊息，據國外媒體報導，在中斷了兩年之後，大型強子對撞機終於準備再次啟動，進行能量更強的粒子對撞實驗。

該實驗本應於本周開始，然而由於上周六剛剛發現的一起短路故障，這一計畫不得不向後推遲。