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顧名思義，對撞機是一種讓某種東西在其中對撞的機器。在研究高能物理用的對撞機里，對撞的可不是一般的東西，而是被加速到接近光速的微小粒子。因此，這里說的對撞機就是加速帶電粒子并在其中進行對撞的加速器。對撞機是探索物質微觀世界的有力工具。為了說明這個問題，還是讓我們從頭談起。
人類賴以生存的世界是物質的，而物質世界是無限的。圖1展示了物質世界的尺度和學科分野。這張圖來自格拉肖十多年前應邀在高能物理研究所作的題為“高能物理的未來”的演講。這位與溫伯格和薩拉姆一起建立電弱統(tǒng)一理論而分享1979年諾貝爾物理獎的哈佛大學著名教授，用一條蛇向聽眾講述了物質從宇觀的天體、宏觀的物體、介觀的團簇直到微觀的粒子的生動故事。談到這條“格拉肖蛇”的首尾相銜，他強調(diào)這并不意味著天體物理把粒子物理吞沒，而是指在足夠小和足夠大的尺度下，兩者具有統(tǒng)一的理論，即電、弱、強和引力相互作用“合四為一”。
圖1 物質世界的尺度和學科分野
作為一門基礎科學中的前沿學科，粒子物理研究作為構成我們賴以生存的物質世界的“磚塊”的“基本粒子”。粒子物理研究旨在回答一系列最基本的問題：宇宙間所有的物質與能量的基本要素是什么？我們所看到的物質的組成和性質及其轉變規(guī)律是什么？上個世紀以來，人類對于物質結構的認識，從原子分子層次、原子核層次，質子中子層次，逐步深入到強子內(nèi)部，達到夸克和輕子的層次；了解到自然界的四種相互作用都是通過相應的媒介子傳遞的：光子傳遞電磁相互作用，中間玻色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強作用，而引力子傳遞引力作用；每一種粒子都有它們的反粒子。人們所熟悉的構成原子核的質子和中子，就是由上夸克（u）和下夸克（d）所組合而成的，稱為第一代夸克，對應的第一代輕子是電子（e）和電子中微子。后來又發(fā)現(xiàn)了第二代的奇夸克（s）和粲夸克（c），對應的第二代輕子為子和中微子。屬于第三代的是底夸克（b）和頂夸克（t），對應輕子為t子和t中微子。
“基本”粒子如此微小，如何對其進行研究呢？粒子加速器是研究微觀粒子的“顯微鏡”。用加速器作為“顯微鏡”研究物質微觀結構，其分辨能力(de Broglie 波長）與作為“探針”的粒子束流的能量E相關：
這里，p為粒子動量，為普朗克常數(shù)，c為光速，為相對論速度，當粒子速度接近光速時。我們把h、c和代到上面的式子里，就得到一個非常簡單的關系：探針束流能量。從這個式子里，我們可以看出，用于探測物質結構的“探針”束流的能量愈高，其研究的分辨率也就愈高。因此，要探索更深層次的微觀世界，研究更微小的粒子，就需要更高能量的加速器。這就出現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：研究的對象愈微小，需要的設備愈龐大。
用這個關系，我們就計算不同尺度的微小對象所需要的“探針”束流的能量和相應的觀測工具，列于表1中。
表1 微小對象的尺度和相應的觀測方法
觀測 對象
尺度 (cm)
探針能量
實驗工具
細胞/細菌
10-3~10-5
0.1~10eV
光學顯微鏡
分 子
~10-7
~1keV
電子顯微鏡同步輻射等
原 子
~10-8
~ 10keV
同步輻射等
原子核
~10-12
>100MeV
低中能加速器
強 子
~10-13
>1 GeV
高能加速器
夸克、輕子
<10-16
>1TeV
對撞機
為什么要造對撞機
粒子物理深入到更微小的層次，也就是向“格拉肖蛇”的尾部挺進，就要求有更高能量的加速器。這里說的“更高能量”是指“打碎”粒子有效的能量，也就是質心系能量。打個比方，一輛汽車追尾撞向停在前面的汽車，往往是把車子推向前走，造成汽車的損壞比起迎面相撞的汽車就小得多。
著名的意大利物理學家費米在1954年曾提出一個質心系能量為3 TeV的加速器設想。那時侯，還沒有對撞機的概念，下面我們將看到，為了得到Ecm=3TeV需要用E=5000TeV 的束流與靜止靶中的質子相互作用，如采用2 T的主導磁場，5000 TeV的同步加速器的偏轉半徑約為 8000 km，比地球的半徑還要大。圖2是這臺地球加速器的構想圖。當時估算這臺地球加速器的造價為1700億美元，需要40年建成。顯然，這只是一個夢想。
對撞機能夠使費米之夢成真。
高能物理需要尋找新粒子，研究新反應，就要盡可能把粒子“撞壞”、打開，因而關心的是質心系能量或有效作用能。在打靜止靶情況下，有效作用能
即大部分能量浪費在對撞粒子及其產(chǎn)物的動能上。這里，為粒子的靜止能量。對撞機則可使束流的能量得以充分利用：
在高能加速器中，E遠大于，因此對撞機可以大大提高有效作用能量。讓我們再回到“地球加速器”的例子。美國費米國立加速器實驗室（FNAL）的Tevatron已經(jīng)實現(xiàn)了0.9TeV的質子和0.9TeV的反質子對撞，把質心系能量推進到1.8TeV ，離費米之夢已近在咫尺。而正在歐洲核子中心（CERN）建造的大型強子對撞機LHC將能把質子加速到7TeV并進行對撞，質心系能量達14GeV，對撞機的周長為27km，遠小于“地球加速器”的周長，預期在2007年建成。
圖2 費米構想的地球加速器
對撞機贏得了有效作用能，但要獲得能與打靜止靶加速器相比擬的反應事例率，必須提高對撞亮度（定義為事例率與反應截面的比值），這對加速器物理和技術提出了諸多挑戰(zhàn)。
對撞機在粒子物理近40年激動人心的進展中嶄露頭角，已成為一種占主導地位的高能加速器。20世紀70年代粒子、輕子和粒子等都是同時或相繼在打靜止靶加速器和對撞機上獲得的，而能量更高的中間玻色子以及近年發(fā)現(xiàn)的t夸克，則是在對撞機上找到并加以研究的。
來自： 飄行者19 > 《科學探秘》
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，兩者具有統(tǒng)一的理論，即電、弱、強和引力相互作用“合四為一”。
傳遞弱相互作用，膠子傳遞強作用，而引力子傳遞引力作用；每一種粒子都有它們的反粒子。人們所熟悉的構成原子核的質子和中子，就是由上夸克（u）和下夸克（d）所組合而成的，稱為第一代夸克，對應的第一代輕子是電子（e）和電子中微子
。后來又發(fā)現(xiàn)了第二代的奇夸克（s）和粲夸克（c），對應的第二代輕子為
子和
。屬于第三代的是底夸克（b）和頂夸克（t），對應輕子為t子和t中微子
。
(de Broglie 波長）與作為“探針”的粒子束流的能量E相關：
