粒子对撞机到底是个啥？

近日，围绕着“中国是否应该建造世界上最大的巨型对撞机”的问题，引发了各方的争论。比如著名数学家、菲尔兹奖获得者丘成桐^[1]和高能所所长王贻芳就主张中国建造，而诺贝尔物理学奖获得者杨振宁却持有相反的态度。先不管到底谁的见解更有道理，我们先来看看到底粒子对撞机是何方神圣？它又对人类未来的发展到底有什么作用？

通俗来说，粒子对撞机不过一种设计为高能粒子相互碰撞的机器。粒子对撞机是由同步加速器（在同步加速器中，磁场强度与粒子的能量成正相关，以保证粒子的加速电场与电子绕加速器圆周运动的频率一致）进化而来，粒子对撞机和回旋加速器的外形相似，均为环形。

^{欧洲强子对撞机}

在粒子对撞机中进行粒子对撞的时候，主要存在3个步骤——粒子的积累、加速对撞。对于单个粒子来说，它的尺度是相当小（原子的尺寸在10^-10m左右），因此要想增加粒子在对撞机中相互碰撞的频率，需要大量的粒子束。当然，如果粒子的能量不高，难以碰撞之后能够产生新的粒子，所以在粒子束碰撞之前得先进行一定的加速，这时，环形轨道就派上了用场。

粒子加速器对粒子加速可采用直线加速器和回旋加速器，直线加速器相对于回旋加速器而言，加速到相同的能量，所需的建造的加速通道的路径更长。由于电场对带电的粒子有库仑力的左右，所以一般（直线或回旋）加速器中可用电场作为驱动力，而由于带电粒子身处磁场中时会存在一个所谓的洛伦兹力，洛伦兹力对带电粒子并不做功，只是改变带电粒子的运动方向（洛伦兹力的方向和带电粒子的运动方向相切），因此在回旋加速器中，可采用磁场对带电粒子进行偏转，这样可保证带电粒子在环形轨道中运动。

为了使得粒子对撞机获取更大的粒子撞击的效率，通常都采用不同的粒子束相向运动进行碰撞。粒子对撞机的发明为科学研究带来了许多新的篇章，如里希特就是因为在美国斯坦福加速器中心的正负电子对撞机上发现了ψ粒子，从而和丁肇中共同分享了诺贝尔物理学奖，欧洲核子中心的质子-反质子对撞机也发现了w±和Z0粒子。

目前，我国所拥有的粒子对撞机是于1990年建成于北京的正负电子对撞机，如果中国有希望建成世界上最大的巨型对撞机，那么不仅在粒子物理方面会取得一系列的进展，而且在高性能超导高频腔、大功率微波功率源、大型低温制冷剂和电子线路芯片等都将取得国际领先水平^[2]。

^参考文献

^{1. 蝌蚪五线谱：丘成桐:关于中国建设高能对撞机的意见并回复媒体的问题}

^{2. 中科院高能所（微信）：王贻芳：中国建造大型对撞机，今天正是时机}