从粒子加速器的发展看大型强子对撞机
学生姓名： 学号：
院系： 班级：
指导教师： 职称：
摘 要：这篇论文结合加速器的发展历史，介绍了直流加速器、回旋加速器、电子感应加速器、同步加速器等物理史上重要的加速器；在此基础上论述了对撞原理的提出；并介绍了目前正在运行之中的欧洲大型强子对撞机的实验原理及相关实验任务。
关键词：粒子加速器；能量；核物理；强子对撞机
From the Development of Particle Accelerators
to the Large Hadron Collider
Abstract : Combined the history of the development accelerator, this paper will introduce dc accelerator, cyclotron, electron induction accelerator, synchrotron accelerators of the physical history; On this basis, we will discuss the proposal on the collision theory; and introduce into the current running The European Large Hadron Collider experiment experiment principle and the related tasks.
Key words: particle accelerator; energy; nuclear physics; the European Large Hadron Collider
绪论
在粒子加速器问世之前，用于研究原子核结构的离子束有两种，一种是天然放射性核素发出的射线，如著名的卢瑟福实验：1919年，这位英国科学家用天然放射源中能量为几百万电子伏、速度为2×109厘米／秒的高速α离子束（即氦核）作为“炮弹”，轰击作为“靶”的0.0004厘米的金属箔，这是人类科学史上第一次人工核反应。另一种是来自天外的高能宇宙射线．这两种粒子束，存在着各自的优缺点：利用天然放射性核素简单方便，但其放射线粒子流强太低，能量不高，产生的和反映的几率十分小；而宇宙射线粒子的能量可高达1021eV ，但其强度太弱，只适宜做定性的研究。
卢瑟福实验发现了原子核的内部结构，激发了科学家们寻求更高能量的粒子来作
为“炮弹”的愿望。这样，在核物理研究领域，粒子加速器作为一种可将带电粒子加速到高能量的人工装置，在上世纪30年代初基于核物理研究需要应运而生。
1 粒子加速器的发展历史
1.1第一台直流加速器
世界上第一台直流加速器——柯克罗夫特－沃尔顿直流高压加速器，由美国科学家柯克罗夫特和爱尔兰科学家沃尔顿于1932年建成。利用该加速器，成功地以能量为40万电子伏的质子束轰击锂靶, 得到α粒子和氦。这个实验是历史上第一次用人工加速的粒子实现的核反应。
次年，美国科学家格拉夫发明了凡德格拉夫静电加速器，这种粒子加速器亦属于直流高压型，但它是利用静电原理来产生高压。范德格拉夫静电加速器是一个近乎封闭的中空金属罩，作为高压电极。它被支在绝缘柱上。两个转轴之间装上一条由绝缘材料制成的传送带。传送带由电动机带动。在传送带下端附近近装有一排针尖，这些针尖与直流电源电压约几万伏的正极相连，电源负极和转轴都接地，这样在针尖和转轴之间就有几万伏的电势差，由于尖端放电，正电荷被喷射到传送带上并被传送带带着向上运动，在金属罩的内侧也装有一排与相连的金属针尖或电刷，当传送带上的正电荷与其靠近时，针尖上就被感生出等量异号电荷。其中负电荷也由于尖端放电，和传送带上的正电荷中和使传送带失去电荷而针尖带上了正电荷。由干导体带电时电荷只能存在于外表面，所以针尖上的正电荷又会立即传到金属罩的外表面。这样，由于传送带的运送，正电荷就不断从下面的直流电源传到金属罩的外表面上使之带电越来越多，从而能在金属罩和地之间产生高电压[1]。
以上两种粒子加速器，他们能加速粒子的能量受到高压击穿所限，其上限大约为1000万电子伏特。
1.2第一台回旋加速器
回旋加速器的工作原理是由美国实验物理学家劳伦斯于1930年提出的。在第一台直流加速器建成的同一年，利用磁场和电场的巧妙结合，劳伦斯建成了第一台直径为27厘米的回旋加速器。这台回旋加速器，可将质子加速到100电子伏，几年后，他用由回旋加速器获得的4.8MeV 氢离子和氘束轰击靶核产生了高强度的中子数，还首次生产出了24Na 、32I 和131I 等人工放射性同位素。为此劳伦斯获得了1939年的诺贝尔物理奖，这是加速器发展史上获此殊荣的第一人[2]。
回旋加速器的主要结构是在磁极间的真空室内有两个D 型金属盒隔开相对放置，D 形盒上加交变电压，其间隙处产生交变电场。置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在D 形盒内不受电场，仅受磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动。绕行半圈的时间为πm/qB，其中q 是粒子电荷，m 是粒子的质量，B 是磁场的磁感应强度。如果D 形盒上所加的交变电压的频率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率，则粒子绕行半圈后正赶上D 形盒上极性变号，粒子仍处于加速状态。由于上述粒子绕行半圈的时间与粒子的速度无关，因此粒子每绕行半圈受到一次加速，绕行半径增大。经过很多次加速，粒子沿螺旋形轨道从D 形盒边缘引出，能量可达几十兆电子伏特。回旋加速器的能量受制于随粒子速度增大的相对论效应，粒子的质量增大，粒子绕行周期变长，从而逐渐偏离了交变电场的加速状态
[3]。
1.3第一台电子感应加速器
1940年, 美国科学家科斯特利用电磁感应产生的涡旋电场特研制出世界上第一个电子感应加速器。它是加速电子的圆形加速器。与回旋加速器的不同，它是通过增加穿过电子轨道的磁通量完成对电子的加速作用，其核心问题是如何保证带电粒子在要求的圆周上作圆周运动。
分析带电粒子的受力，可得切向感生电场力：
E i =1dB e dB e dB d (mv ) =F i =eE i =⇒= 2r dt 2r dt 2r dt dt
径向的洛伦兹力：
dB v 2d (mv ) f =Bqv =B r qv ⇒B r qv =m ⇒mv =erB r ⇒er r = r dt dt
B r =1B 2
即：电子运动处的磁感应强度B 应等于该路径所围面积内磁感应强度B r 的一半。 实际上若以每秒50周的交流电激励电磁铁，则在磁场变化的第一个1/4周期内，电子就能在有旋电场的作用下，在圆形轨道上经历回旋数十万圈的持续加速，从而获得足够高的能量，并在第一个1/4周期结束时被引至靶室进行实验[4]。
但由于电子沿曲线运动时其切线方向不断放射的电磁辐射造成能量的损失，电子感应加速器的能量提高受到了限制，极限约为1亿电子伏。
1.4自动稳相原理的发现及同步加速器
1945年，前苏联科学家维克斯列尔和美国科学家麦克米伦各自独立发现了自动稳相原理，这从理论上提出了突破回旋加速器能量上限的方法，它的发现是加速器历史上的一次重大革命，导致了新一代中高能回旋谐振式加速器的产生，如电子同步加速器、同步回旋加速器和质子同步加速器等。
同步加速器是粒子加速器中的一大类。它是一种保持主导磁场和加速电场与粒子同步使之沿固定的环形轨道运动的加速器。在环形真空盒安放磁铁和高频腔等设备对在其中运动的粒子进行偏转、聚焦和加速等。由于电磁场仅限于环形真空盒的某些区域，因而大大减小设备特别是磁铁的体积，从而在技术上提供了把束流加速到高能量的可能性。早期的同步加速器在偏转磁铁中引入一定量的场梯度，使粒子在水平和垂直方向同时得到聚焦。在这种弱聚焦加速器中，束流横向截面尺寸仍较大，可达到的最高能量受到限制。在强聚焦加速器中粒子水平方向聚焦和散焦（即垂直方向散焦和聚焦）两种磁铁交替放置，使聚焦性能进一步改善。其中偏转和聚焦作用由同一类磁铁承担的称为组合作用聚焦系统，而由偏转磁铁和聚焦磁铁分别承担的为分离作用聚焦系统。现代同步加速器都基于这种强聚焦原理，大多数采用聚焦性能更好、安排使用更灵活的分离作用磁铁方案。由于电子在低能时的速度就接近光速，因而电子同步加速器通常采用恒频电场加速。而1级的质子和重离子加速器在加速过程中粒子的速度仍有较大范围的变化，因而需要采用调频电场，且离子愈重调频范围愈大，同时对真空度的要求也愈高。同步加速器是高能加速器的主要类型，包括高能打静止靶加速器、用作提高注入能量的增强器和各种储存环等[5]。
2 对撞原理的提出
中国科学院高能物理研究所研究员张闯在《国际粒子加速器的前沿》一文中曾讨论了粒子加速器和物质微观结构研究的关系。对于粒子加速器而言，作为“显微镜”来研究物质的微观结构，其分辨能力λ（德布罗意波长）与产生束流的能量E 相关：
λ＝hc h ＝ E βp
式中ｐ为粒子动量，β为相对论速度，普朗克常量h ＝414×10-24GeV ·s
从这个式子中我们可以看出, 用于探测物质结构的“探针”束流的能量越高，其研究的分辨率也就越高。由此可知，要探索更深层次的微观世界，研究更高更深层次的微观世界，研究更小的粒子，就需要更高能量的加速器。这样，就出现了一个现象：研究的对象越微小，需要的设备越庞大。研究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如下：
[6]
事实上，随着加速器的能量的发展，实验的角度同时暴露了新的问题，用加速器作能物理实验，开始是用加速的粒子轰击静止靶中的核子，然后来研究所产生的次级粒子的动量、方向、电荷、数量等，这样加速粒子能参加高能反应得实际有用能量受到限制。因此，如果采取两束加速粒子对撞的方式，则可以使加速粒子能量充分地用于高能反应或新粒子的产生。或者说，对撞机比普通的打静止靶加速器可以更有效地达到高相互作用能量。
对撞机的原理，由意大利科学家陶歇克于1960年首次提出。陶歇克在意大利的Frascati 国家实验室建成了直径约1米的AdA 对撞机, 验证了这个原理, 从此核物理研究领域迎来了加速器发展的新纪元。
3 大型强子对撞机
于2008年9月19日正式开始运作的欧洲大型强子对撞机(LHC ) ，是目前世界上最大的粒子加速设施，被誉为将开启“物理学界的黄金时代”。它由欧洲核子研究中心建造，耗资60亿美元，来自大约80个国家的600名科学家和工程师将参与其实验过程[7]。
3.1关于强子
强子是一种亚原子粒子，它包括重子和介子。介子一般是作为高能物理过程中的产物，极不稳定，短时间内就会发生衰变，因此不是对撞机用来加速的粒子。在重子中，相对稳定的是质子和中子，而中子不带电，无法实现加速过程。这就是说，目前可行的强子对撞机所加速的粒子是质子[8]。
3.2 LHC的基本构成
加速部分：LHC 包含了一个圆周为27公里的圆形隧道，这实际上是先前大型正负电子加速器所使用隧道的再利用。加速器通道中，主要是放置两个质子束管。加速管由超导磁铁所包覆，以液态氦来冷却。在粒子入射到主加速环之前，会先经过一系列加速设施，逐级提升能量。其中，包括由两个直线加速器所构成的质子同步加速器、
质子同步推进器、质子同步加速环、超级质子同步加速器。
对撞部分：LHC 圆环的4对撞点周围，建有4个巨型探测器。它们分别是：ATLAS 探测器、ALICE 探测器、CMS 探测器、LHCb 探测器。这些探测器用来记录和测量每次对撞之后产生出的上千个粒子[9]。
3.3 LHC工作原理
在这个加速器中，两束高能粒子流在彼此相撞之前以接近光速的速度向前传播。 其中，质子同步加速器将产生50MeV 的能量，接着质子同步推进器提升能量到
1.4GeV 。而质子同步加速环可达到26GeV 的能量。低能量入射环为一离子储存与冷却的装置。反物质减速器可以将3.57GeV 的反质子，减速到2GeV 。最后超级质子同步加速器可提升质子的能量到450GeV 。两束粒子流分别通过同处于超高真空状态的不同光束管向相反方向传播。同时，利用超导电磁石产生的强磁场使这两束粒子流围绕加速环运行。在超导状态下操作的超导电磁石没有电阻消耗，这需要将磁体冷却到接近绝对零度。因此，为了使磁体达到这一温度，大部分加速器都与一个液态氦分流系统和其他设备相连。LHC 内的粒子流在加速器环周围的4个区域相撞，这4个区域分别与粒子探测器的位置相对应[10]。
3.4 LHC的实验任务
自LHC 启动以来，实验得到的质子流能量记录被不断刷新。2010年3月30日，LHC 首次实施总能量高达70万亿电子伏特的质子流对撞并取得了成功，这比之前的能量记录高了3倍。这次试验用于模拟137亿年前宇宙大爆炸之后的最初状态以及其他重要课题研究。
LHC 作为世界上首屈一指的大型强子对撞机，为此肩负着重要的历史使命。它主要进行六大实验：其中包括超环面仪器实验和紧凑渺子线圈实验两项大规模试验；大型离子对撞机实验和底夸克实验两项中型实验；以及全截面弹性散射侦测器实验和前行粒子实验。科学家们希望通过这些实验找到物理学界关键性的未解之谜的答案，如质量的起源，暗物质的寻找，反物质，以及额外维度的寻找[11]。
结束语
大型强子对撞机的实验还在进行之中，科学家们期待能够利用它找到宇宙的秘密。在粒子加速器的发展史上，随着实验的进一步开展，大型强子对撞机将越来越显示出它的重要意义。
参考文献：
[1] 景心. 粒子加速器的发展历史[J]. 国外科技动态, 2005, 07(02)：06-10.
[2] 戴岩伟. 回旋加速器的原理及应用[J]. 濮阳职业技术学院学报, 2005, 03(01)：03-04.
[3] 孙立莹, 方春红. 加速器发展简史[J]. 安庆医学, 2009, 04(01)：24-26.
[4] 谷仕传, 王贤乾. 聚焦电子感应加速器[J]. 物理教学探讨, 2009, 02(06)：46-47.
[5] 铁军. 美国加速器发展概述[J]. 成都师范高等专科学校学报, 1994, 02(02)：64-67.
[6] 张闯. 国际粒子加速器的前沿[J]. 物理, 2008, 01(05)：189-290.
[7] 王小晨. 强子对撞[J]. 物理数学探讨, 2009, 02(03)：37-38.
[8] 张凯华, 付豫, 刘莹. 世界最大强子对撞机撞出了什么[J]. 发明与创新, 2008, 04(10)：4-8.
[9] 梅耶. 走进大型强子对撞机[J]. 科技新时代, 2008, 01(11)：94-100.
[10] 万晓中. 试析大型强子对撞机实验中的强子对撞可能产生的物质微粒[J]. 中国
科技信息, 2009(05)：36-39.
[11] 王家慧, 卞建国. “大型强子对撞机”撞开发现之门[J]. 今日科苑, 2008(09)：
29-31.
从粒子加速器的发展看大型强子对撞机
学生姓名： 学号：
院系： 班级：
指导教师： 职称：
摘 要：这篇论文结合加速器的发展历史，介绍了直流加速器、回旋加速器、电子感应加速器、同步加速器等物理史上重要的加速器；在此基础上论述了对撞原理的提出；并介绍了目前正在运行之中的欧洲大型强子对撞机的实验原理及相关实验任务。
关键词：粒子加速器；能量；核物理；强子对撞机
From the Development of Particle Accelerators
to the Large Hadron Collider
Abstract : Combined the history of the development accelerator, this paper will introduce dc accelerator, cyclotron, electron induction accelerator, synchrotron accelerators of the physical history; On this basis, we will discuss the proposal on the collision theory; and introduce into the current running The European Large Hadron Collider experiment experiment principle and the related tasks.
Key words: particle accelerator; energy; nuclear physics; the European Large Hadron Collider
绪论
在粒子加速器问世之前，用于研究原子核结构的离子束有两种，一种是天然放射性核素发出的射线，如著名的卢瑟福实验：1919年，这位英国科学家用天然放射源中能量为几百万电子伏、速度为2×109厘米／秒的高速α离子束（即氦核）作为“炮弹”，轰击作为“靶”的0.0004厘米的金属箔，这是人类科学史上第一次人工核反应。另一种是来自天外的高能宇宙射线．这两种粒子束，存在着各自的优缺点：利用天然放射性核素简单方便，但其放射线粒子流强太低，能量不高，产生的和反映的几率十分小；而宇宙射线粒子的能量可高达1021eV ，但其强度太弱，只适宜做定性的研究。
卢瑟福实验发现了原子核的内部结构，激发了科学家们寻求更高能量的粒子来作
为“炮弹”的愿望。这样，在核物理研究领域，粒子加速器作为一种可将带电粒子加速到高能量的人工装置，在上世纪30年代初基于核物理研究需要应运而生。
1 粒子加速器的发展历史
1.1第一台直流加速器
世界上第一台直流加速器——柯克罗夫特－沃尔顿直流高压加速器，由美国科学家柯克罗夫特和爱尔兰科学家沃尔顿于1932年建成。利用该加速器，成功地以能量为40万电子伏的质子束轰击锂靶, 得到α粒子和氦。这个实验是历史上第一次用人工加速的粒子实现的核反应。
次年，美国科学家格拉夫发明了凡德格拉夫静电加速器，这种粒子加速器亦属于直流高压型，但它是利用静电原理来产生高压。范德格拉夫静电加速器是一个近乎封闭的中空金属罩，作为高压电极。它被支在绝缘柱上。两个转轴之间装上一条由绝缘材料制成的传送带。传送带由电动机带动。在传送带下端附近近装有一排针尖，这些针尖与直流电源电压约几万伏的正极相连，电源负极和转轴都接地，这样在针尖和转轴之间就有几万伏的电势差，由于尖端放电，正电荷被喷射到传送带上并被传送带带着向上运动，在金属罩的内侧也装有一排与相连的金属针尖或电刷，当传送带上的正电荷与其靠近时，针尖上就被感生出等量异号电荷。其中负电荷也由于尖端放电，和传送带上的正电荷中和使传送带失去电荷而针尖带上了正电荷。由干导体带电时电荷只能存在于外表面，所以针尖上的正电荷又会立即传到金属罩的外表面。这样，由于传送带的运送，正电荷就不断从下面的直流电源传到金属罩的外表面上使之带电越来越多，从而能在金属罩和地之间产生高电压[1]。
以上两种粒子加速器，他们能加速粒子的能量受到高压击穿所限，其上限大约为1000万电子伏特。
1.2第一台回旋加速器
回旋加速器的工作原理是由美国实验物理学家劳伦斯于1930年提出的。在第一台直流加速器建成的同一年，利用磁场和电场的巧妙结合，劳伦斯建成了第一台直径为27厘米的回旋加速器。这台回旋加速器，可将质子加速到100电子伏，几年后，他用由回旋加速器获得的4.8MeV 氢离子和氘束轰击靶核产生了高强度的中子数，还首次生产出了24Na 、32I 和131I 等人工放射性同位素。为此劳伦斯获得了1939年的诺贝尔物理奖，这是加速器发展史上获此殊荣的第一人[2]。
回旋加速器的主要结构是在磁极间的真空室内有两个D 型金属盒隔开相对放置，D 形盒上加交变电压，其间隙处产生交变电场。置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在D 形盒内不受电场，仅受磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动。绕行半圈的时间为πm/qB，其中q 是粒子电荷，m 是粒子的质量，B 是磁场的磁感应强度。如果D 形盒上所加的交变电压的频率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率，则粒子绕行半圈后正赶上D 形盒上极性变号，粒子仍处于加速状态。由于上述粒子绕行半圈的时间与粒子的速度无关，因此粒子每绕行半圈受到一次加速，绕行半径增大。经过很多次加速，粒子沿螺旋形轨道从D 形盒边缘引出，能量可达几十兆电子伏特。回旋加速器的能量受制于随粒子速度增大的相对论效应，粒子的质量增大，粒子绕行周期变长，从而逐渐偏离了交变电场的加速状态
[3]。
1.3第一台电子感应加速器
1940年, 美国科学家科斯特利用电磁感应产生的涡旋电场特研制出世界上第一个电子感应加速器。它是加速电子的圆形加速器。与回旋加速器的不同，它是通过增加穿过电子轨道的磁通量完成对电子的加速作用，其核心问题是如何保证带电粒子在要求的圆周上作圆周运动。
分析带电粒子的受力，可得切向感生电场力：
E i =1dB e dB e dB d (mv ) =F i =eE i =⇒= 2r dt 2r dt 2r dt dt
径向的洛伦兹力：
dB v 2d (mv ) f =Bqv =B r qv ⇒B r qv =m ⇒mv =erB r ⇒er r = r dt dt
B r =1B 2
即：电子运动处的磁感应强度B 应等于该路径所围面积内磁感应强度B r 的一半。 实际上若以每秒50周的交流电激励电磁铁，则在磁场变化的第一个1/4周期内，电子就能在有旋电场的作用下，在圆形轨道上经历回旋数十万圈的持续加速，从而获得足够高的能量，并在第一个1/4周期结束时被引至靶室进行实验[4]。
但由于电子沿曲线运动时其切线方向不断放射的电磁辐射造成能量的损失，电子感应加速器的能量提高受到了限制，极限约为1亿电子伏。
1.4自动稳相原理的发现及同步加速器
1945年，前苏联科学家维克斯列尔和美国科学家麦克米伦各自独立发现了自动稳相原理，这从理论上提出了突破回旋加速器能量上限的方法，它的发现是加速器历史上的一次重大革命，导致了新一代中高能回旋谐振式加速器的产生，如电子同步加速器、同步回旋加速器和质子同步加速器等。
同步加速器是粒子加速器中的一大类。它是一种保持主导磁场和加速电场与粒子同步使之沿固定的环形轨道运动的加速器。在环形真空盒安放磁铁和高频腔等设备对在其中运动的粒子进行偏转、聚焦和加速等。由于电磁场仅限于环形真空盒的某些区域，因而大大减小设备特别是磁铁的体积，从而在技术上提供了把束流加速到高能量的可能性。早期的同步加速器在偏转磁铁中引入一定量的场梯度，使粒子在水平和垂直方向同时得到聚焦。在这种弱聚焦加速器中，束流横向截面尺寸仍较大，可达到的最高能量受到限制。在强聚焦加速器中粒子水平方向聚焦和散焦（即垂直方向散焦和聚焦）两种磁铁交替放置，使聚焦性能进一步改善。其中偏转和聚焦作用由同一类磁铁承担的称为组合作用聚焦系统，而由偏转磁铁和聚焦磁铁分别承担的为分离作用聚焦系统。现代同步加速器都基于这种强聚焦原理，大多数采用聚焦性能更好、安排使用更灵活的分离作用磁铁方案。由于电子在低能时的速度就接近光速，因而电子同步加速器通常采用恒频电场加速。而1级的质子和重离子加速器在加速过程中粒子的速度仍有较大范围的变化，因而需要采用调频电场，且离子愈重调频范围愈大，同时对真空度的要求也愈高。同步加速器是高能加速器的主要类型，包括高能打静止靶加速器、用作提高注入能量的增强器和各种储存环等[5]。
2 对撞原理的提出
中国科学院高能物理研究所研究员张闯在《国际粒子加速器的前沿》一文中曾讨论了粒子加速器和物质微观结构研究的关系。对于粒子加速器而言，作为“显微镜”来研究物质的微观结构，其分辨能力λ（德布罗意波长）与产生束流的能量E 相关：
λ＝hc h ＝ E βp
式中ｐ为粒子动量，β为相对论速度，普朗克常量h ＝414×10-24GeV ·s
从这个式子中我们可以看出, 用于探测物质结构的“探针”束流的能量越高，其研究的分辨率也就越高。由此可知，要探索更深层次的微观世界，研究更高更深层次的微观世界，研究更小的粒子，就需要更高能量的加速器。这样，就出现了一个现象：研究的对象越微小，需要的设备越庞大。研究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如下：
[6]
事实上，随着加速器的能量的发展，实验的角度同时暴露了新的问题，用加速器作能物理实验，开始是用加速的粒子轰击静止靶中的核子，然后来研究所产生的次级粒子的动量、方向、电荷、数量等，这样加速粒子能参加高能反应得实际有用能量受到限制。因此，如果采取两束加速粒子对撞的方式，则可以使加速粒子能量充分地用于高能反应或新粒子的产生。或者说，对撞机比普通的打静止靶加速器可以更有效地达到高相互作用能量。
对撞机的原理，由意大利科学家陶歇克于1960年首次提出。陶歇克在意大利的Frascati 国家实验室建成了直径约1米的AdA 对撞机, 验证了这个原理, 从此核物理研究领域迎来了加速器发展的新纪元。
3 大型强子对撞机
于2008年9月19日正式开始运作的欧洲大型强子对撞机(LHC ) ，是目前世界上最大的粒子加速设施，被誉为将开启“物理学界的黄金时代”。它由欧洲核子研究中心建造，耗资60亿美元，来自大约80个国家的600名科学家和工程师将参与其实验过程[7]。
3.1关于强子
强子是一种亚原子粒子，它包括重子和介子。介子一般是作为高能物理过程中的产物，极不稳定，短时间内就会发生衰变，因此不是对撞机用来加速的粒子。在重子中，相对稳定的是质子和中子，而中子不带电，无法实现加速过程。这就是说，目前可行的强子对撞机所加速的粒子是质子[8]。
3.2 LHC的基本构成
加速部分：LHC 包含了一个圆周为27公里的圆形隧道，这实际上是先前大型正负电子加速器所使用隧道的再利用。加速器通道中，主要是放置两个质子束管。加速管由超导磁铁所包覆，以液态氦来冷却。在粒子入射到主加速环之前，会先经过一系列加速设施，逐级提升能量。其中，包括由两个直线加速器所构成的质子同步加速器、
质子同步推进器、质子同步加速环、超级质子同步加速器。
对撞部分：LHC 圆环的4对撞点周围，建有4个巨型探测器。它们分别是：ATLAS 探测器、ALICE 探测器、CMS 探测器、LHCb 探测器。这些探测器用来记录和测量每次对撞之后产生出的上千个粒子[9]。
3.3 LHC工作原理
在这个加速器中，两束高能粒子流在彼此相撞之前以接近光速的速度向前传播。 其中，质子同步加速器将产生50MeV 的能量，接着质子同步推进器提升能量到
1.4GeV 。而质子同步加速环可达到26GeV 的能量。低能量入射环为一离子储存与冷却的装置。反物质减速器可以将3.57GeV 的反质子，减速到2GeV 。最后超级质子同步加速器可提升质子的能量到450GeV 。两束粒子流分别通过同处于超高真空状态的不同光束管向相反方向传播。同时，利用超导电磁石产生的强磁场使这两束粒子流围绕加速环运行。在超导状态下操作的超导电磁石没有电阻消耗，这需要将磁体冷却到接近绝对零度。因此，为了使磁体达到这一温度，大部分加速器都与一个液态氦分流系统和其他设备相连。LHC 内的粒子流在加速器环周围的4个区域相撞，这4个区域分别与粒子探测器的位置相对应[10]。
3.4 LHC的实验任务
自LHC 启动以来，实验得到的质子流能量记录被不断刷新。2010年3月30日，LHC 首次实施总能量高达70万亿电子伏特的质子流对撞并取得了成功，这比之前的能量记录高了3倍。这次试验用于模拟137亿年前宇宙大爆炸之后的最初状态以及其他重要课题研究。
LHC 作为世界上首屈一指的大型强子对撞机，为此肩负着重要的历史使命。它主要进行六大实验：其中包括超环面仪器实验和紧凑渺子线圈实验两项大规模试验；大型离子对撞机实验和底夸克实验两项中型实验；以及全截面弹性散射侦测器实验和前行粒子实验。科学家们希望通过这些实验找到物理学界关键性的未解之谜的答案，如质量的起源，暗物质的寻找，反物质，以及额外维度的寻找[11]。
结束语
大型强子对撞机的实验还在进行之中，科学家们期待能够利用它找到宇宙的秘密。在粒子加速器的发展史上，随着实验的进一步开展，大型强子对撞机将越来越显示出它的重要意义。
参考文献：
[1] 景心. 粒子加速器的发展历史[J]. 国外科技动态, 2005, 07(02)：06-10.
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