世界上第一台對撞機是為達到何種目的而建造的？

01-16

對撞機這種實驗裝置又是如何設想並發明出來的？
其依據的原理是什麼？

加速器(包括對撞機)是因高能物理實驗的需要而發明的。

【多圖預警】詳細介紹加速器的話，可以開一門課了，以下只是簡介和科普。

參考資料來自教材和網路。

高能物理有時也叫粒子物理，是研究物質的基本組元和它們之間相互作用規律的一門學科。

高能是指研究粒子物理需要高能加速器作為實驗手段，能量一般大於 1 GeV (10^9電子伏)，原子核的尺度約為10^(-15)米，而高能物理研究的微觀尺度可以達到10^(-18)米。

對於不同尺度的微小對象(例如細菌、分子等)，我們有相應的觀測工具，如下圖所示

目前粒子物理實驗的粒子源有兩大類：宇宙線和加速器。在20世紀初，宇宙射線是研究粒子物理的唯一手段，人們在地面或利用高空探測氣球，探測來自宇宙的高能帶電粒子，從中發現了各種新奇的物理現象。

例如，湯川秀樹在1935年提出「π介子論」，對質子和中子的結合做了很圓滿的解釋，他認為原子核的質子和中子是通過交換一種介子而緊密結合在一起的(這種作用後來被稱為強相互作用)。不久，質量為電子200倍的粒子在宇宙射線中被發現，那時物理學家最先想到的是，它就是湯川秀樹的π介子(當然後來才發現它是μ子)。

上圖，宇宙射線打到地球的示意圖。

但是，宇宙線的高能粒子束流強度太弱，能量變化範圍大，無法預期，只能靠天吃飯。隨著實驗技術的發展，物理學家發明了加速器，它的優點是能用人工方法快速加速帶電粒子，能量確定，亮度高，能大量產生我們感興趣的物理過程，極大地推動了核物理與粒子物理的發展。

加速器的基本原理就是帶電粒子在電場的作用下可以被加速，在磁場的作用下可以改變運動方向。目前加速器大多在往更高能量的方向發展，因為粒子束的能量越高，就越能深入到物質內部獲得更多信息。

高能實驗的基本方法是粒子碰撞，碰撞方式有兩種，一是固定靶實驗，二是對撞實驗。固定靶的方式是，加速一束帶電粒子，把帶電粒子打到一面固定的「牆」上，從而產生各種粒子。

使用兩束粒子束互相對撞的加速器叫做對撞機，由於相對運動速度很高，可以大幅度提高能量的有效利用，具有非常好的性價比，原理請見gyroscope 的答案。目前對撞機已經在高能物理實驗的加速器中佔有主導地位。

想像一輛70公里時速的汽車撞到牆上，對比兩輛70公里時速的汽車相撞，肯定是相撞更慘啦，能量利用效率更高。

為什麼需要高能加速器呢？因為它是威力巨大的「顯微鏡」，可以「無中生有」。

愛因斯坦的質能公式告訴我們E=mc^2，能量和質量是可以相互轉化的。利用加速器加速高能粒子並相撞，我們可以「無中生有」地創造出新的粒子，研究它們的性質。

帶電粒子在電磁場作用下獲得能量，這是粒子加速器依據的物理基礎，其實就是高中時候我們已經學過的洛倫茲方程： $vec{F}=q(vec{E}+vec{v} imes vec{B}) =qvec{E}+qvec{v} imes vec{B}=vec{F}_{E}+vec{F}_{B}$

其中，電力F_{E}可以增加粒子的速度和能量。磁力F_(B)和粒子速度方向垂直，可以改變粒子的運動方向。加速器可以使粒子的速度達到每秒幾千公里，甚至接近光速(LHC可以把質子加速到光速的99.999%)。

粒子物理實驗用的加速器一般包括如下幾個主要部分：

1. 粒子源(例如電子槍)；

2. 加速系統，例如靜電場，射頻電磁場，微波加速腔；

3. 粒子光學系統，例如二級磁鐵、四級磁鐵，用於粒子的聚焦等等；

4. 粒子輸運系統；

5. 真空系統。

其實加速器並不神秘，當年幾乎每家每戶都有一個簡易的加速器呢，就是黑白電視機！

黑白電視機裡面有一個簡易的粒子加速器，加速器的幾個基本組成它都有，而且電視機做的是「固定靶實驗」：在一定電壓下電子槍打出高速電子，經過聚焦線圈和偏轉線圈，打到電視機屏幕上發光……

加速器的發展簡史：

靜電加速器→直線加速器→回旋加速器→同步加速器→粒子對撞機

1. 靜電加速器

在真空電場中，當帶有電荷q=Ze的離子由電勢U1移動到電勢U2處時，離子在電場作用下獲得的能量由下式表示

W =
q(U1-U2)

如上圖所示，將一帶電體置入金屬球內並與其內側接觸，電荷都將全部移至金屬球外表面，通過傳送帶使帶電體反覆與其內側接觸，可使金屬球表面帶上相當多的電荷，並使金屬球具有電勢

　　U = Q/C

C為金屬球的電容，Q為金屬球所帶的電量。當Q很大時，金屬球的電勢U也將很高，從而獲得高電壓。范德格喇夫(Van
de Graaff)在1931年建造的靜電加速器就是應用了這一原理，獲得了1．5MV的電壓，從離子源出來的帶電粒子處在電場中，帶電粒子被加速。要獲得很高的電壓，必須不斷增加輸送上去的電荷。但當輸送的電荷過多時，高壓會使周圍空氣擊穿放電，所以加速電場不能太大。

2. 直線加速器

直線加速器是一種諧振式加速器，它能使帶電粒子連續多次通過電壓不很高的加速電場來獲得很高的能量。沿著軸線排列著一系列長短不一的金屬圓筒狀電極(稱為漂移管)，將其中奇數電極和偶數電極分別連接高頻電源的兩個輸出端，在金屬圓筒狀電極間形成很多間隙，這些間隙就是加速區。當離子在間隙中運動時，高頻電場正好是正電場，使離子得到加速。細心觀察上圖可以看到，往右的漂移管長度更長，因為粒子速度逐漸變大了。

3. 回旋加速器

非相對論條件下，粒子的運動周期

周期Tc=2πm/ZeB

m是粒子質量，Z是電荷數，B是磁場強度。

只要選擇合理的高頻電壓和周期，回旋加速器的設計就得以實現。

為了實現共振加速，要求高頻電壓的周期Tr與粒子迴旋周期Tc滿足奇數倍關係

Tc=kTr

然而，在相對論情形下，質量是隨動量變化的，引起迴旋周期的變化。這限制了回旋加速器的粒子能量和加速器的尺寸。

上圖，最初的回旋加速器原型，這麼小隻。

上圖，曾經建造過的世界最大回旋加速器TRIUMF，位於加拿大的國家實驗室，粒子能量可以達到520MeV。

4. 同步加速器

當粒子速度變大時，會接近相對論情形，回旋加速器的粒子迴旋周期發生變化，高頻電壓卻不變，因此回旋加速器無法進一步提高粒子能量。

同步加速器(synchrotron)是真正意義上的高能加速器，粒子圍繞著一條近似於圓的固定軌道作迴旋運動。它的一個特點是，磁場和高頻腔電場頻率可以隨著粒子的能量變化，如此可以大大提高粒子能量。此外，同步加速器還利用強聚焦的方法，盡量提高粒子的流強。

上圖，利用四極磁鐵實現強聚焦，類似於光學凸透鏡的作用，使得粒子束聚集。

上圖，1950年代，伯克利的同步加速器Bevatron。

5. 粒子對撞機

對撞機綜合運用了回旋加速器和同步加速器的原理，使兩束粒子束對撞，有效能量更高，是當前高能加速器的主流。

對撞機(collider)有各種種類，比如直線對撞，環形對撞，正負電子對撞，質子質子對撞，質子反質子對撞，電子質子對撞等等。

第一個對撞機是AdA，趙明銳的回答已經提到了，1964年由奧地利科學家Bruno
Touschek在義大利建造，電子或正電子的能量為250MeV，總能量500MeV。

目前世界上運行著的對撞機有：(參考Collider)

上兩圖來自網路，LHC的高空俯瞰以及內部管道。由於建在地下，高空俯瞰看到的其實是環形的路面……

歐洲的大型強子對撞機LHC是世界最大的，能量也是最高的，已經取得了各種大發現。

上兩圖來自網路，BEPC的高空俯瞰以及內部管道。其實也是建在地下，高空俯瞰看到的是地面建築。北京正負電子對撞機BEPC是世界上唯一工作在粲物理能區(2~4GeV)的對撞機，使中國在粲物理研究領域保持領先地位。

當然，粒子物理實驗除了需要加速器以外，還需要探測器。加速器負責產生粒子；探測器則類似於「數碼相機」，負責「拍攝」產生的粒子，以供研究。

例如，LHC是加速器(對撞機)，ATLAS和CMS則是工作在LHC上的探測器；BEPC是加速器(對撞機)，北京譜儀(BES)則是工作在BEPC上的探測器。

要是講探測器，又可以開一門課……能力有限，此處不細講。

上圖是媒體經常喜歡轉載的示意圖，LHC上對撞產生各種各樣的末態粒子(黃色的線表示)，周圍圓筒形狀的東西表示探測器。

加速器被物理學家發明出來之後，不僅被用來做科學研究，也逐漸走進了人們的生活之中，除了前面說的電視機，例如醫院還使用小型加速器作為放療的儀器。

基礎科學研究發展出的技術可以改善人們的生活，不過這種改善往往不能在短期內看到，人們需要長遠的眼光。

(完)

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最早粒子加速器叫加速器而不叫對撞機，是因為早期的加速器是通過加速粒子轟擊固定靶標來進行物理研究。

根據動量守恆定律，只有質心繫的能量才是有用的。假定兩個粒子質量相同，一個靜止，一個以速度 $v$ 入射，那麼入射粒子的能量 $E_{1} =frac{1}{2} mv^{2}$ 。而在質心系看來，兩個粒子以速度 $frac{1}{2} v$ 對撞，對撞的能量 $E=2*frac{1}{2} mleft( frac{v}{2} ight) ^2=frac{1}{4} mv^{2} =frac{E_{1} }{2}$ ，也就是說，有 $frac{1}{2}$ 的能量浪費掉了。

然而，這僅僅是低能的情況。當入射粒子接近光速時，上面的公式就不適用了，必須根據狹義相對論重新計算。假定入射粒子的歸一化速度是 $eta _{1} =frac{v_{1}}{c}$ ，質心繫的歸一化速度 $eta _{2} =frac{v_{2}}{c}$ ，那麼根據相對論速度合成公式， $eta _{1} =frac{2eta _{2} }{1+eta _{2}^{2} }$ ，我們可以求得 $eta _{2} =frac{1-frac{1}{gamma _{1}}}{eta _{1}}$ ，其中 $gamma$ 是洛侖茲因子。然後根據入射能量 $E_{1} =mleft(gamma _{1}-1 ight) c^{2}$ ，質心系能量 $E_{2} =2mleft( gamma _{2} -1 ight) c^{2}$ ，我們就可以得出對撞效率 $eta =frac{E_{2} }{E_{1} }$ 。

利用相對論計算對撞效率，我們會發現，隨著入射粒子的速度越來越接近光速，對撞效率會急劇降低。當入射速度是 $0.9c$ 時， $eta =0.438$ ；入射速度是 $0.99c$ 時， $eta =0.332$ ；入射速度是 $0.99999c$ 時， $eta =0.086$ ；當入射速度是 $0.99999999c$ 時， $eta$ 就只有 $0.0165$ 了。可見，當入射粒子速度接近光速時，由於相對論效應，效率會急劇的惡化。

這也是對撞機設想的由來。因為對於對撞機來說，無論是低速還是高速，粒子的能量都是100%用於對撞。所以對撞機不存在效率的問題。

然而，讓兩束粒子對撞說起來容易做起來難。如果說加速器是用手槍打靶，對撞機就是讓兩支槍的子彈在空中迎面相撞。相比加速器用一大團物質做的靶標，對撞機用的粒子束密度簡直低的可憐。這也就帶來一個問題，對撞機的對撞亮度遠不如加速器。為了提高對撞機的對撞亮度，科學家做了大量的工作。比如粒子束聚焦等。

歷史上第一款加速器應該是義大利的比薩斜塔（Tower of Pisa），也就是伽利略(Galileo)驗證自由落體定律的地方，但能量只有 10^-4 eV .

本生燈（Bunsen Burner）實際上也是一種簡陋的加速器，但能量也區區只有1 eV左右.

倫琴（Wilhelm R?ntgen）算是第一位使用加速器研究物理而獲得諾貝爾獎的科學家，即X射線管（X-ray Tube)，能量達到了10^5 eV .

後來美國物理學家勞倫斯（Ernest Orlando Lawrence ）發明了回旋加速器（Cyclotron），能量達到了10^6eV，開創了加速器科學的新時代，他也因此項成就獲得了1939年的諾貝爾物理學獎.

戰後，一些真正意義上的大科學裝置，同步加速器（Synchrotron）和對撞機（Collider）開始登場.

1949年，密歇根大學（University of Michigan ）的物理學家Horace Richard Crane設計出了第一台同步加速器Race Track Synchrotron，能量達到了驚人的300MeV.

1959年的質子同步加速器PS（Proton Synchrotron）是歐核中心CERN（European Organization for Nuclear Research）自建立以來的第一款加速器，28GeV .

1960年美國布魯克海文實驗室BNL（Brookhaven National Laboratory）的交變梯度同步加速器AGS（Alternating Gradient Synchrotron）又將能量提高到了33GeV.

1976年CERN升級版的超級質子同步加速器（ Super Proton Synchrotron）達到了400GeV，但很快被費米實驗室（Fermilab）的SPS趕超，在同一年能量達到了500GeV.

1989年，大型強子對撞機LHC（Large Hadron Collider）的前身大型正負電子對撞機LEP（Large Electron-Positron Collider）開始運行，209GeV.

進入對撞機時代後……

此處省略500字……

PS：本文自丁肇中教授多年前題為《實驗物理與物理學前沿》的演講拓展而來，資料和圖片均來自於維基百科。轉載請隨意~

世界上第一台對撞機是AdA，一台正負電子對撞機。質心能量為500MeV。

根據量子場論，粒子可以通過能量對場的激發產生出來，因此粒子對撞後產生巨大能量可以用來驗證量子場論。例如前不久的希格斯粒子，因為產生希格斯粒子需要較高能量，所以只有在更高能的對撞機建成後才被驗證。

就是為了讓粒子對撞發明的啊。

之前人們推測原子的內部結構，想到了用高能粒子（α粒子）轟擊延展到極薄的金箔，再觀察粒子偏轉的方式，對更堅固細微的電子之類的粒子，加速一方轟擊另一方的能量損耗太高，自然設想出加速雙方，相對撞擊的方式，省力多了。

我總是覺的,人要認識外在世界，必須先要認識自己，也就是人類大腦及整個身體環境的運行情況，比例感知，意識、思維的原理，產生，運行的方式等一系列的問題，在這個基礎之上，再去了解外在世界就要方便的很多！也有了現實理論基礎！

就拿一個最簡單的視覺欺騙來舉例子，同樣兩張圖(圖1，圖2)，上面相同位置相同範圍內填充相同的顏色（例如紅色），而一張(圖1)空白處為白色，（圖2）在其他空白處加入灰度！在不事先說明的情況下，幾乎所有人都會認為圖 2當中的的紅色要比圖1暗！