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多样的对撞机

挪威发明家Rolf Wideröe 在1943年提出了对撞机的想法，在20世纪50年代，欧洲、美国和苏联的科学家提出了各自建造对撞机的计划。1962世界上第一台对撞机，能量为的正负电子对撞机AdA 在意大利弗拉斯卡蒂实验室建成（图3）。次年，美国和俄国也分别建成了正负电子对撞机。在这以后，对撞机随粒子物理的发展需求，如雨后春笋出现在世界各大高能物理实验室。表2是迄今为止对撞机家族的成员。

表2  对撞机家族成员

 

从表中可以看出，按照对撞粒子的种类，对撞机可分为电子对撞机，质子-质子（pp）对撞机，电子-质子对撞机（ep）和重离子对撞机等；按照对撞机的形状，又有环形（单环或双环）与线形之分。从能量和规模看，第一台对撞机AdA质心系能量为0.5GeV，周长约4m，只有桌面大小；而现代大型加速器的质心系能量最高为14TeV，周长27公里，整个设施犹如一座小城镇，造价高达30亿美元以上。

 

 

图3 世界上第一台对撞机AdA

从表2中可以看出，电子对撞机共有21台，是对撞机家族中的最大成员，而且品种很多：既有早期原理验证性对撞机AdA、CBX、VEP-1和ACO等，又有规模最大的LEP；既有功勋卓著的SPEAR（在其上发现了粒子），又有曾被寄予厚望的PETRA、PEP、Tristan和CESR等；既有早年探索过高亮度的DORIS和DCI，又有先驱直线对撞机SLC。近年来，两台采用双环、能量不对称、多束团对撞的B介子工厂，即美国的PEP-II和日本的KEKB，相继建成，亮度达到以上，成为目前世界上亮度最高的对撞机。它们正在大量“生产”B介子，深入进行B系统中的CP破坏等方面的研究。图4是KEKB隧道的照片。正负电子环在隧道里左右放置，照片中央的是能量为8GeV的电子环，其右侧是3.5GeV的正电子环。正负电子束在一个对撞点交叉对撞。照片近处是新安装的Crab高频腔，它的作用是把夹角对撞变成对头碰撞。人们期望这个装置可以把KEKB的亮度再提高一倍以上。

 

 

图4  KEKB加速器隧道

上面已经谈过，美国FNAL实验室的Tevatron的质心能量已达到1.8TeV，接近费米之梦的3TeV。那么，它是什么样子的呢？图5是Tevatron的布局示意图。从图中可以看出，Tevatron是一个多级的加速器复合体：质子束由预注入器加速到750keV，送到一台200MeV的直线加速器，注入到增强器并加速到8GeV，再输送到主注入器中，加速到120GeV，一部分注入到TEVATRON中积累、储存，另一部分通过束流输运线送到靶站，打靶产生反质子，并送到反质子环积累、冷却，提高流强、减小发射度，再送回主注入器加速到120GeV，最后注入到Tevatron中积累、储存，并与质子对撞。在Tevatron的质子-反质子对撞中，科学家在1994年发现了期待以久的t夸克。近年来，科学家又对Tevatron做了改进，进一步提高了亮度，争取在LHC建成前在粒子物理上有新的发现。

 

 

图5  Tevatron的布局示意图

美国BNL的相对论性重离子对撞机RHIC于1999建成，是目前世界上唯一的一台重离子对撞机，它可以加速从质子（250 GeV）直到金离子（100 GeV/核子）的各种离子并使之对撞，图6是RHIC的鸟瞰。重离子从串列静电加速器（Tendem）出发，经过重离子传输线HITL送到直线加速器注入增强器，再送到交变梯度同步加速器AGS加速，最后通过AGS到RHIC的束流传输线ATR注入到RHIC。在RHIC中，相互对撞的是同一种重离子，分别在两个独立的超导储存环中积累、加速、储存，并在六个对撞点交叉对撞。RHIC旨在重现宇宙大爆炸后早期的现象，研究重离子对撞产生夸克-胶子等离子体等复杂的现象。

 

 

图6  RHIC鸟瞰

德国同步加速器实验室（DESY）的HERA 是世界上唯一的质子-电子对撞机，820GeV 的质子束和30 GeV的电子束在其中对撞，被称为探测质子结构的超级电子显微镜。图7是HERA隧道，照片上方是质子储存环，下方是电子储存环，电子束和质子束在四个对撞区交叉对撞。HERA于1992 建成后即投入运行，取得了一系列物理成果。

 

 

图7  HERA加速器隧道

自从1995年美国的超级超导对撞机SSC计划被否决后，人们就把希望寄托在欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机LHC上。图8安装中LHC。

 

 

图8安装中的LHC

LHC安装在周长为27公里的LEP的隧道中，从图中我们可以看到LHC弧区的超导磁铁，在全环共有1232块超导偏转磁铁，392块超导四极磁铁，和许多其他磁铁和设备。LHC可以把质子束加速到，大大超过了费米在1954年梦想建造的地球对撞机的能量。LHC是迄今为止人类建造的最大的加速器装置，它将在2007年底建成。建成后科学家将能用以洞察物质结构的更深层次，寻找他们梦寐以求的黑格斯粒子，重现和观察大爆炸后早期宇宙的现象。