PDF《漫谈对撞机》

1 漫谈对撞机 张闯在读这篇文章之前,大家可能在想:什么是对撞 机?为什么要造对撞机?对撞机是什么样子的?中国 有什么对撞机?未来将有什么对撞机?现在,就让我 们一起谈谈这些问题.

(1)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强大工具. 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的分野.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(~10±30 cm),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的分野 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 W± 和Z0 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(νe) .后来又发现了第二代的奇 异夸克(s)和粲夸克(c) ,对应的第二代轻子为μ子和μ中微子(νμ) .属于第三代的是底夸克(b)和顶夸 克(t) ,对应轻子为τ子和τ中微子(ντ) . 基本 粒子如此微小,如何对它们进行研究 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 λ (德 波罗意波长)与作为 探针 的粒子束流的能量 E 相关: β λ E hc p h = = 这里,p 为粒子动量, h = 4.14*10-24 GeV?s 为普朗克 常数,c 为光速,β为相对论速度,当粒子速度接近光 速时β ≈1.我们把 h、c 和β ≈1 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 E =1.2 *(分 辨率)-1 nm?keV.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,其探测的 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,我们就可以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了. 计算的结果列在表