什么是对撞机

顾名思义，对撞机是一种让某种东西在其中对撞的机器。在研究高能物理用的对撞机里，对撞的可不是一般的东西，而是被加速到接近光速的微小粒子。因此，这里说的对撞机就是加速带电粒子并在其中进行对撞的加速器。对撞机是探索物质微观世界的有力工具。为了说明这个问题，还是让我们从头谈起。

人类赖以生存的世界是物质的，而物质世界是无限的。图1展示了物质世界的尺度和学科分野。这张图来自格拉肖十多年前应邀在高能物理研究所作的题为“高能物理的未来”的演讲。这位与温伯格和萨拉姆一起建立电弱统一理论而分享1979年诺贝尔物理奖的哈佛大学著名教授，用一条蛇向听众讲述了物质从宇观的天体、宏观的物体、介观的团簇直到微观的粒子的生动故事。谈到这条“格拉肖蛇”的首尾相衔，他强调这并不意味着天体物理把粒子物理吞没，而是指在足够小和足够大的尺度下，两者具有统一的理论，即电、弱、强和引力相互作用“合四为一”。

图1 物质世界的尺度和学科分野

作为一门基础科学中的前沿学科，粒子物理研究作为构成我们赖以生存的物质世界的“砖块”的“基本粒子”。粒子物理研究旨在回答一系列最基本的问题：宇宙间所有的物质与能量的基本要素是什么？我们所看到的物质的组成和性质及其转变规律是什么？上个世纪以来，人类对于物质结构的认识，从原子分子层次、原子核层次，质子中子层次，逐步深入到强子内部，达到夸克和轻子的层次；了解到自然界的四种相互作用都是通过相应的媒介子传递的：光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强作用，而引力子传递引力作用；每一种粒子都有它们的反粒子。人们所熟悉的构成原子核的质子和中子，就是由上夸克（u）和下夸克（d）所组合而成的，称为第一代夸克，对应的第一代轻子是电子（e）和电子中微子。后来又发现了第二代的奇夸克（s）和粲夸克（c），对应的第二代轻子为子和中微子。属于第三代的是底夸克（b）和顶夸克（t），对应轻子为t子和t中微子。

“基本”粒子如此微小，如何对其进行研究呢？粒子加速器是研究微观粒子的“显微镜”。用加速器作为“显微镜”研究物质微观结构，其分辨能力(de Broglie 波长）与作为“探针”的粒子束流的能量E相关：

这里，p为粒子动量，为普朗克常数，c为光速，为相对论速度，当粒子速度接近光速时。我们把h、c和代到上面的式子里，就得到一个非常简单的关系：探针束流能量。从这个式子里，我们可以看出，用于探测物质结构的“探针”束流的能量愈高，其研究的分辨率也就愈高。因此，要探索更深层次的微观世界，研究更微小的粒子，就需要更高能量的加速器。这就出现了一个有趣的现象：研究的对象愈微小，需要的设备愈庞大。

用这个关系，我们就计算不同尺度的微小对象所需要的“探针”束流的能量和相应的观测工具，列于表1中。

表1 微小对象的尺度和相应的观测方法

在上面的表格里，eV（电子伏）是粒子能量的单位，为电子通过1V电位差所得到的能量，尔格。而尔格。读者可能会问，这不是一个很小的能量吗，为什么叫高能呢？实际上，对于微观粒子来说，这就是很高的能量了，要使每个粒子获得这么高的能量，需要十分庞大的加速器。而对撞机比普通的打静止靶加速器更有效地达到高相互作用能量。