为什么要造对撞机

粒子物理深入到更微小的层次，也就是向“格拉肖蛇”的尾部挺进，就要求有更高能量的加速器。这里说的“更高能量”是指“打碎”粒子有效的能量，也就是质心系能量。打个比方，一辆汽车追尾撞向停在前面的汽车，往往是把车子推向前走，造成汽车的损坏比起迎面相撞的汽车就小得多。

著名的意大利物理学家费米在1954年曾提出一个质心系能量为3 TeV的加速器设想。那时侯，还没有对撞机的概念，下面我们将看到，为了得到Ecm=3TeV需要用E=5000TeV 的束流与静止靶中的质子相互作用，如采用2 T的主导磁场，5000 TeV的同步加速器的偏转半径约为 8000 km，比地球的半径还要大。图2是这台地球加速器的构想图。当时估算这台地球加速器的造价为1700亿美元，需要40年建成。显然，这只是一个梦想。

对撞机能够使费米之梦成真。

高能物理需要寻找新粒子，研究新反应，就要尽可能把粒子“撞坏”、打开，因而关心的是质心系能量或有效作用能。在打静止靶情况下，有效作用能

即大部分能量浪费在对撞粒子及其产物的动能上。这里，为粒子的静止能量。对撞机则可使束流的能量得以充分利用：

在高能加速器中，E远大于，因此对撞机可以大大提高有效作用能量。让我们再回到“地球加速器”的例子。美国费米国立加速器实验室（FNAL）的Tevatron已经实现了0.9TeV的质子和0.9TeV的反质子对撞，把质心系能量推进到1.8TeV ，离费米之梦已近在咫尺。而正在欧洲核子中心（CERN）建造的大型强子对撞机LHC将能把质子加速到7TeV并进行对撞，质心系能量达14GeV，对撞机的周长为27km，远小于“地球加速器”的周长，预期在2007年建成。

图2  费米构想的地球加速器

对撞机赢得了有效作用能，但要获得能与打静止靶加速器相比拟的反应事例率，必须提高对撞亮度（定义为事例率与反应截面的比值），这对加速器物理和技术提出了诸多挑战。

对撞机在粒子物理近40年激动人心的进展中崭露头角，已成为一种占主导地位的高能加速器。20世纪70年代粒子、轻子和粒子等都是同时或相继在打静止靶加速器和对撞机上获得的，而能量更高的中间玻色子以及近年发现的t夸克，则是在对撞机上找到并加以研究的。