PDF《漫谈对撞机》

1 中.

2 表1微小对象的尺度和相应的观测方法 观测对象 尺度 (cm) 探针能量 实验工具 细胞/细菌 10-3 ~10-5 0.1~10eV 光学显微镜 分子 ~10-7 ~1keV 电子显微镜同 步辐射等 原子 ~10-8 ~ 10keV 同步辐射等 原子核 ~10-12 >

100MeV 低中能加速器 强子 ~10-13 >

1 GeV 高能加速器 夸克、 轻子 1TeV 对撞机 在上面的表格里,eV(电子伏)是粒子能量的单 位,为电子通过1V 电位差所得到的能量,1eV=1.6 *10-19 尔格.而1TeV=1000GeV =106 MeV=

109 keV=1012 eV=1.6 *10-7 尔格.读者可能会问,1TeV 只有 0.16 微尔格,这不是一个很小的能量吗,为什么 叫高能呢?实际上,对于微观粒子来说,这就是很高 的能量了,要使每个粒子获得这么高的能量,需要十 分庞大的加速器.而对撞机比普通的打静止靶加速器 更有效地达到高相互作用能量. (2)为何造对撞机 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 的另一辆汽车,往往是把车子推向前走,造成汽车的 损坏比起两辆汽车迎面相撞来说要小得多. 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 Ecm 为3TeV 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=3 TeV 需要用 E=5000 TeV 的束流与静止靶中的 质子相互作用,如采用

2 Tesla 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 E E E M C

0 . .

2 ≈ 即大部分能量浪费在对撞粒子及其产物的动能上.这里,E0 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: E E M C

2 . = 在高能加速器中,E 远大于 E0,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 , 离费米之梦的 3TeV 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 7GeV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 年底建成. 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 术提出了许多挑战. 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 J?ψ粒子、τ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 W± 和Z0 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. (3)多样的对撞机 挪威........