粒子对撞机是在高能同步加速器的基础上发展起来的一种装置。这台机器的构造理念是由挪威工程师罗尔夫·威德罗在1943年提交的专利中首次提出的。它的主要作用是将前一台加速器注入的两束粒子进行积累和加速，当它们达到一定的强度和能量时发生碰撞，产生足够的反应能量。
根据粒子对撞机光束之间的相互作用，粒子对撞机可以分为正面碰撞和角度碰撞。两个轨道正面碰撞时夹角为零，有角度碰撞时夹角不为零。对撞机作为粒子物理最重要的研究设备，直接决定着粒子物理大多数研究方向的发展水平。
粒子对撞机简介
编辑工作原理
粒子对撞机是在高能同步加速器的基础上发展起来的一种装置。它的主要作用是积累和加速前一个加速器先后注入的两束粒子。当光束强度和能量达到一定水平时，反向碰撞，产生足够高的相互作用反应速率，便于测量。
用于测量粒子碰撞的光谱仪是对撞机的传感传感器，也是量子粒子物理的前沿科学。因为粒子碰撞也是一种“机制”和自然存在的“粒子碰撞机制”，探索量子粒子高能物理凝聚态物理天体粒子物理。
可行性分析
使用高能粒子轰击静止的钯(粒子)时，只有质心系统的能量才是粒子相互作用的有效能量，仅占实验室系统中粒子总能量的一部分。如果粒子撞击目标的能量为E，则作用于目标中同一粒子的质心系统的能量约为E (E为粒子的静止能量)。
用于相互作用的能量比例会降低，表明利用加速粒子能量的效率会降低。然而，如果两个能量为E、方向相反的同类高能粒子束发生碰撞，则质心系统的能量约为2E，这意味着粒子的所有能量都可以用于相互作用。可以看出，为了获得与质心系统相同的能量，所需的加速器能量将远远大于对撞机的能量。如果对撞机的能量为E，对应的加速器能量应为2E2/E。例如，一个能量为2 × 300 GeV的质子和质子对撞机相当于一个能量为180000 GeV的质子加速器，构建这样一个高能加速器。在目前的技术水平和经济条件下，这仍然是无法实现的。但用上述能量或更高能量建造对撞机是完全可行的，这也是近20年来对撞机得到广泛发展的原因之一。
粒子对撞机特点
编辑对撞机的特性与同步加速器非常相似。对撞机呈圆形，沿环布置有磁铁系统、高频系统、真空系统以及检测和校正系统。此外，沿圆环设有两条或两条以上的专用长直段，用于碰撞，检测仪器放置在长直段内碰撞点附近的空间内。两束带相反电荷和相同静止质量的粒子碰撞相对简单。只需要建立一个环。如果带相同电荷的相同类型的粒子发生碰撞，则必须建立两个环。两个环上的外磁场方向相反。这两个环可以建在同一个平面上，在几个交叉路口碰撞;它也可以建立在两个不同的平面上，上下，使用一个特殊的电磁场，使两个粒子在一个长直线段内碰撞。此外，高能对撞机还需要使用高能加速器(通常是同步加速器或直线加速器)作为注入器，首先将粒子加速到一定能量，然后将其注入对撞机进行积累，进一步加速碰撞。积累、加速和碰撞是对撞机的三个主要功能。积累是在对撞机的环形真空室(称为存储环)中，由高能加速器在不同时间加速的脉冲粒子团的积累过程。通常需要积累数十或数千束簇来达到碰撞所需的强度。
电子束团在电子同步加速器中的积累依赖于同步辐射。虽然同步辐射使同步加速器的能量难以进一步增加，但它在加速过程中大大缩小了电子束的横向和纵向尺寸，导致密度显著增加。利用这一特性，可以积累强电子束。质子没有这种特性，它需要动量的积累来获得强大的质子束。
在积累动量后，对撞机可以进一步将注入的高能粒子加速到更高的能量。对撞机的这一功能与常规同步加速器的功能完全相同。粒子的能量由放置在环形上的高频加速室提供。在整个加速过程中，对撞机的磁场逐渐上升，并严格控制高频室的频率等于或等于被加速粒子回旋加速器频率的整数倍，从而使粒子不断加速到更高的能量。
当粒子被加速到预定能量时，对撞机磁场保持恒定值，粒子束在环形真空室中连续旋转，在碰撞区域的某一点发生碰撞。此时，布置在碰撞区域周围的测量仪器可以连续测量碰撞过程中发生的事件，剩余的无反应粒子将继续在环内旋转，直到再次到达碰撞区域。直到光束的强度降低到不能再进行物理实验的程度，两束光束的寿命也终止了。束流的寿命一般可达数小时或数十小时，因此高能加速器作为注入器，仅在积累过程中向对撞机提供粒子束流，在碰撞过程中也可用于物理实验，对静止目标进行轰击。
粒子对撞机现状
编辑欧洲核子中心
目前建造的质子对撞机，如欧洲核子研究中心(CERN)代码ISR的交叉存储环，能量为2 × 31GeV，于1971年投入运行。由于电子冷却和随机冷却技术的成功(参见加速器技术和原理的发展)，反质子束流的性能有了很大的提高，束流可以积累到足够的强度，使得在同一环内进行质子反质子碰撞成为可能。
为了增加碰撞的概率(即增强对撞机的亮度)，欧洲核研究中心于1981年将能量为400 GeV的质子同步加速器(SPS)改造成质子反质子对撞机，并于1983年取得了极其重要的实验成果，发现了W±和Z0粒子。
在70年代早期
20世纪70年代初，在碰撞区引入了一种称为低包络线插入段的特殊聚焦结构，它强烈压缩了碰撞点处的光束截面，大大增加了碰撞点处的光束密度。
由于使用了这种结构，20世纪70年代建造的对撞机的亮度比以前增加了一到两个数量级。此外，为了尽可能延长束流的寿命，对撞机环内的平均真空度不应低于10-8 ~ 10-9托，特别是在碰撞区附近。为了减少物理实验的背景，即保证束流与束流碰撞的概率大大超过束流与残余气体碰撞的概率，真空度应保持在10-10-11 Torr左右。因此，随着对撞机的发展，大体积高真空技术也得到了发展。对撞机的类型是电子-正电子对撞机，也被称为正电子对撞机。由于正负电子之间的电荷相反，这种对撞机只需要建立一个环。相应的成本相对较低，目前世界上建造的大多数对撞机都属于这一类。
同步辐射损失
然而，由于电子回旋加速器造成的同步辐射损失，使该对撞机的能量难以进一步提高。同步加速器辐射功率与电子能量的平方成正比，与回旋加速器半径的平方成反比。为了减少辐射损失，高能电子对撞机一般采用大半径方案，即利用只有几千高斯的低磁场来控制电子的运动。然而，电子对撞机的最大能量仍然受到很大的限制。例如，当一个10GeV的电子在曲率半径为100米的对撞机中运动时，每转一圈的辐射损失约为10MeV。如果对撞机中的回旋加速器电流为1A，则需要对该光束进行补偿。电子流的辐射损耗需要平均10MW的高频功率。
如果正电子流也是1A，则总平均功率为20MW。可见，对撞机中高加速频率系统的功率主要用于补偿这种同步辐射损失。虽然辐射特性给进一步提高电子能量带来困难，但也有一定的好处。这是因为电子或正电子被注入对撞机后，由于电子的辐射损失，电子截面被强烈压缩。电子迅速集中在一个非常小的区域，剩余的空间可以用来容纳注入的电子。这简化了积累过程，并允许使用低能量注入器，通常是线性加速器或同步加速器。在这种类型的对撞机中，所需的正电子是由具有数十兆电子伏特或更高能量的电子在被瞄准后产生的。为了获得尽可能强的正电子束流，往往需要建立一个低能量大电流的电子直线加速器。此外，产生的正电子束需要再次注入注入器，与电子一起加速到所需的能量，然后注入对撞机。由于正电子束的强度只有电子束的千分之一到千分之一，所以要达到足够的强度，需要几分钟甚至几十分钟的积累。
质子质子对撞机需要建造两个环，每个环存储两束以相反方向旋转的质子束，以便质子碰撞。由于质子在旋流运动中的同步辐射远小于电子的同步辐射，在质子所能达到的电流范围内可以忽略。因此，为了缩小这类对撞机的规模，应尽可能地使用强磁场，这就需要使用超导磁体。另外，质子束的积累不像电子对撞机那样方便，必须依靠动量空间的积累才能实现。因此，需要先在高能同步加速器中将质子加速到高能(通常为几十吉电子伏)，依靠绝热压缩将质子束的动量散度压缩数百倍，然后注入对撞机进行积累。质子对撞机中的高频加速系统主要用于动量空间积累和积累后的进一步加速，因此所需的高频功率远小于电子对撞机。
由于上述原因，质子质子对撞机的规模要大于电子正电子对撞机，投资也更高。质子反质子对撞机:质子和反质子具有相同的质量和相反的电荷，可以通过碰撞形成一个环。这类对撞机发展相对较晚，主要是由于高能质子束瞄准产生的反质子束强度较弱，性能较差，无法积累足够的强度与质子发生碰撞。
“冷却”技术的成功
在20世纪70年代后期，“冷却”技术的成功给了这种对撞机巨大的活力(参见加速器技术和原理的发展)。由于冷却技术的成功，现有的高能质子同步加速器，只要其磁性能和真空度足够好，就有可能转变为质子反质子对撞机。
在未来的超高能量质子同步加速器建设中考虑了质子与反质子同时碰撞的可能性，说明了该技术的成功意义。虽然质子反质子对撞比质子质子对撞节省了很大的环路，但也有一定的弱点，主要是尽管冷却和积累，反质子的强度仍然比质子低得多，导致质子反质子对撞机的亮度要低得多。前者最大值为1029 ~ 1030cm-2·s-1，后者最大值为1032cm-2·s-1。电子质子对撞机的主要困难在于电子束的横截面非常小，线性度约为零点几毫米，而质子的横截面相对较大，线性度约为一厘米。前者的光束较密，后者的光束较松，两者碰撞的概率很小。
现阶段的研究
目前正在研究中，需要建立两个环来实现这种碰撞。一种是传统的磁性铁环，具有低磁场来存储和加速电子;另一种是高场超导磁环，可以储存和加速质子。这两个环的半径相同，位于同一隧道中，因此电子的能量通常为几十吉赫兹伏，质子的能量为几百吉赫兹伏。
随着加速器技术的提高，为了节省投资，新建的巨型加速器往往在隧道中建造三个环，以允许各种粒子碰撞，如质子质子、质子反质子、电子正电子、质子电子碰撞等。电子直线对撞机旨在避免电子回旋运动中同步辐射损失带来的困难。
早在1965年就指出，当电子的能量超过数百千兆赫时，应采用直线碰撞。也就是说，应该使用两个电子直线加速器来加速两个运动方向相反的电子束(或正负电子束)。在达到预定能量后，将两束电子束引出并在某一点发生碰撞。碰撞后，电子束被丢弃，不再重复使用。当然，只有当这些废弃的电子束在单位时间内带走的能量小于圆形对撞机中同步辐射的功率损失时，这种方法才会被考虑。另外，由于电子线加速功率的限制，每秒能提供的电子束脉冲数量有限，因此单位时间内发生的碰撞次数远少于圆形对撞机。为了保证直线对撞机和圆形对撞机具有相同的亮度，需要进一步压缩碰撞点处的横截面，比圆形对撞机中的碰撞横截面大约小几十到几百倍。在过去的十年里，技术进步使这种对撞机受到高度重视，各种相关问题正在得到解决。
粒子对撞机工作原理
编辑大型强子对撞机主要由一个27公里长的超导磁环和许多加速结构组成，这些结构使粒子能够向特定方向传播。在这个加速器中，两个高能粒子流在相互碰撞之前以接近光速的速度向前传播。这两种粒子流在不同的束流管内以相反的方向传播，两者都处于超高真空状态。一个强大的磁场驱使它们绕着加速环旋转，加速环是用超导电磁石获得的。这些超导电磁石是用特殊的电缆制成的，在超导状态下工作，有效地传导电流，没有电阻消耗或能量损失。为了达到这个效果，需要将磁铁冷却到比外太空温度低的零下271摄氏度。出于这个原因，大多数加速器都连接到液氦旁路系统和其他设备，用于冷却磁铁。
大型强子对撞机利用数千种不同类型和型号的磁铁来引导加速器周围粒子束的方向。这些磁铁包括一个15米长的1232双极磁铁和一个392四极磁铁。1232双极磁铁用于弯曲粒子束，392四极磁铁各有5至7米的长度，用于集中粒子流。在碰撞之前，大型强子对撞机使用另一种类型的磁铁“挤压”粒子彼此靠近，增加它们成功碰撞的机会。这些粒子非常小，让它们相撞就像让相隔10公里的两个地方发射的两根针相撞一样。
加速器、它的仪器和技术基础设施的操作人员都与欧洲粒子物理研究所的控制中心安装在同一栋大楼里。在这里，大型强子对撞机内部的粒子流将在加速器环周围的四个区域发生碰撞，这些区域对应于粒子探测器的位置。
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