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对撞机的定义

  对撞机
(collider)用高能粒子轰击静止靶[1](粒子)时,只有质心系中的能量才是粒子相互作用的有效能量,它只占实验室系中粒子总能量的一部分。如果射到靶上的粒子能量为E,则对靶中同种粒子作用的质心系能量约为(E为粒子的静止能量)。可见,随着Eo的增高,用于相互作用的那部分能量所占的比例将越来越小,即被加速粒子能量的利用效率越来越低,但是,如果是两个能量为E的相向运动的同种高能粒子束对撞,则质心系能量约为2E,即粒子全部能量均可用来进行相互作用。可见,为了得到相同的质心系能量,所需的加速器能量将比对撞机大得多。如果对撞机能量为E,则相应的加速器能量应为2E2/E。例如,能量为2×300GeV的质子、质子对撞机,同一台能量o为180000GeV的质子加速器相当,建造这样高能量的加速器。在目前的技术水平及经济条件仍然是不可及的。但建造上述能量或更高一些能量的对撞机是完全可行的,这就是近20年来对撞机得到广泛发展的原因之一。

  对撞机的主要指标除能量外还有亮度。所谓对撞机的亮度是指该对撞机中所发生的相互作用反应率除以该相互作用的反应截面。显然亮度越高对撞机的性能就越好,1986年时对撞机达到的亮度约在1029~1032cm-2·s-1。

  发展历史

  20世纪50年代初,加速器的设计者就有过利用对撞束来获得更高质心系能量的设想,但是鉴于加速器中束流的强度太低,束流密度远低于靶的粒子密度,双束对撞引起的相互作用反应率将比束流轰击固定靶时发生的反应率低106倍,这样,很难进行最低限度的测量,这种设想就没有得到应有的重视,1956年人们开始懂得依靠积累技术,可以获得必要强度的束流,从而使对撞机的研究真正被提到日程上来。

  正负电子对撞机的造价低,技术简单,因此它是首先研究的对象。最初的两台对撞机是1961年投入运行的,不久又相继出现了好几台低能量的电子对撞机。B.里希特就是在美国斯坦福直线加速器中心的正负电子对撞机SPEAR上发现著名的J/ψ粒子的(同时在美国布鲁克海文国家实验室由丁肇中教授发现),为近代高能物理的发展作出了很大的贡献,正是由于这一成就为后来人们下决心建造更大的
正负电子对撞机起了决定性的作用。

  目前建成的质子对撞机如欧洲核子中心代号 ISR的交叉储存环,其能量为2×31GeV,它于1971年已投入运行。

  由于电子冷却及随机冷却技术(见加速器技术和原理的发展)的成功,使反质子束的性能大大得到改善,而且束流可以积累到足够的强度,从而有可能在同一环中进行质子-反质子对撞。欧洲核子中心于1981年将一台能量为400GeV的质子同步加速器(即SPS)改建成质子-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±、Z0粒子。

  对撞机特点

  与同步加速器极为相似,对撞机呈环形,沿环安放着磁铁系统、高频系统、真空系统以及探测和校正系统等。此外,它沿圆环还有两个或两个以上专供对撞用的特殊长直线节,探测仪器就被安置在长直线节内的对撞点附近的空间中。使电荷相反,静止质量相同的两束粒子相碰比较简单,只要建立一个环就行了。如果是电荷相同的同种粒子相撞,就必须要建立两个环。两个环的外加磁场方向相反。这两个环可以建在同一平面中,使其在几个交叉的地方进行对撞;也可以建立在上下两个不同平面中,用特殊的电磁场使两种粒子在长直线节内相撞,此外,高能量的对撞机还需要用一台高能加速器(一般用同步加速器或直线加速器)作为注入器,先把粒子加速到一定能量,再注入到对撞机中去进行积累,进一步加速及对撞。积累、加速及对撞是对撞机的三大机能,所谓积累是设法把高能加速器在不同时间加速出来的脉冲粒子束团积累在对撞机环形真空室(称为储存环)中。一般需要积累几十或上千个束团,才能达到对撞所需的强度。电子同步加速器的束流团的积累是依靠同步辐射来完成的,同步辐射虽然使同步加速器的能量难于进一步提高,但却使得电子束的横向及纵向的尺寸在加速过程中大大收缩,即密度大大提高,利用这一特性就可以积累一股很强的电子束流。质子却没有这种特性,这就需要用动量积累过程来得到强流质子束。积累以后,对撞机还可以将注入其中的高能粒子进一步加速到更高的能量,对撞机的这一作用与普通的同步加速器完全一样,
粒子的能量是由安置在圆环上的高频加速腔供给的,在整个加速过程中,对撞机的磁场逐渐上升,高频腔的频率也被严格控制得与被加速粒子的回旋频率一样或成整数倍,从而使粒子不断地被加速到更高能量。当粒子被加速到预定能量后,对撞机的磁场就被维持在相应的恒定值上,粒子束就在环形真空室中不断地回旋,两束并在对撞区域内某点发生对撞。这时布置在对撞区周围的测量仪器,就可对碰撞时发生的事例不断地进行测量,剩下的没有起反应的粒子将继续在环里回旋运动,等到下一次到达对撞区时再度发生对撞。一直到束流的强度降低到不能再作物理实验为止,这时两股束流的寿命也就中止了。束流的寿命一般可达几小时或几十小时,所以作为注入器的高能加速器只有在积累过程中才把粒子束流提供给对撞机,而在对撞的过程中,还可供轰击静止靶的物理实验用。为了增加对撞的几率(即提高对撞机的亮度),70年代初期,出现了在对撞区中插入一种特殊的称为低包络插入节的聚焦结构,使束流在对撞点的横截面受到强烈的压缩,从而使对撞点的束流密度大大增加。由于采用了这种结构,使70年代建造的对撞机的亮度比以前提高了一两个数量级。另外,为了尽可能的延长束流的寿命,对撞机环内的真空度平均不得低于10-8~10-9Torr,尤其是在对撞区附近。为了减少物理实验的本底,即为了保证使束流与束流发生对撞的几率大大超过束流与残余气体相撞的几率,真空度应维持在10-10~10-11Torr左右。所以大体积高真空这一技术也随着对撞机的发展而发展起来了。   对撞机的主要类型
1、电子-正电子对撞机又称正负电子对撞机,由于正负电子的电荷相反,所以这种对撞机只要建立一个环就可以了。相应的造价就比较低,目前世界上已建成的对撞机大部分是属于这一类的。

  但是,由于电子回旋时引起的同步辐射损失,使这种对撞机能量的进一步提高发生了困难,因为同步辐射功率与电子的能量二次方成正比,且与回旋半径的平方成反比,为了减少辐射损失,一般高能量的电子对撞机均采用大半径方案,即采用只有几千高斯的低磁场来控制电子的运动,即使如此,目前电子对撞机的最高能量仍然受到很大的限制,例如,10GeV的电子在曲率半径为100m的对撞机中运动时,每圈的辐射损失约为10MeV,如果对撞机中的回旋电流为1A,要补偿这束电子流的辐射损失,就需要平均功率为10MW的高频功率。假如正电子流也为1A,则总的平均功率为20MW,由此可见,对撞机中高加速频系统的功率绝大部分是用来补偿这一同步辐射损失的。

  辐射特性虽然给电子能量的进一步提高带来了困难,但也有一定的好处,这是因为电子或正电子注入对撞机后,由于电子的辐射损失,使电子截面受到强烈的压缩,电子很快集中到一个很小的区域中,其余的空间可以用来容纳再一次注入的电子,这样使积累过程简化,而且允许采用较低能量的注入器,通常采用直线加速器,也有采用电子同步加速器的。

  这种对撞机中所需的正电子是由能量为几十兆电子伏以上的电子打靶后产生的,为了得到尽可能强的正电子束,往往需要建造一台低能量的强流电子直线加速器。另外产生出来的正电子束尚需再度注入到注入器中,与电子一起加速到必要的能量,再注入到对撞机中去。由于正电子束的强度只及电子束的千分之一到万分之一,所以需要几分甚至几十分钟的积累,才能达到足够的强度。

  2、质子-质子对撞机这种对撞机需要建造两个环,分别储存两束相反方向回旋的质子束,才能实行质子与质子的对撞。由于质子作回旋运动时,其同步辐射要比电子小得多,在目前质子达到的能量范围内,可以略去不计,因此为缩小这类对撞机的规模,尽量采用强磁场,这就需要采用超导磁体。另外,质子束的积累也不如电子对撞机那样方便,它必须依靠动量空间的积累来实现。为此,必须首先在高能同步加速器中,将质子加速到高能(一般为几十吉电子伏),依靠绝热压缩,将质子束的动量散度压缩上百倍,再注入到对撞机中去进行积累,质子对撞机中的高频加速系统主要是用来进行动量空间的积累及积累完毕后的进一步加速,因此所需要的高频功率也比电子对撞机小得多。由于上述原因,质子-质子对撞机的规模要比电子-正电子对撞机大,投资也较高。

  3、质子-反质子对撞机质子与反质子的质量相同,电荷相反,也只需要造一个环就能进行对撞。这种对撞机发展得较晚,主要原因在于由高能质子束打靶产生的反质子束强度既弱,性能又差,无法积累到足够的强度与质子对撞。70年代后期,“冷却”技术的成功,给予这种对撞机巨大的生命力(见加速器技术和原理的发展)。

  由于冷却技术的成功,使得现有的高能质子同步加速器,只要它的磁铁性能及真空度够好的话,均有可能可以改成质子-反质子对撞机。今后再建的超高能质子同步加速器,均考虑了同时进行质子-反质子对撞的可能,由此可见,这一技术成功的意义是何等重要。

  实现质子-反质子对撞虽然比质子-质子对撞能节省一个大环,但也有一定的弱点,主要是由于尽管经过冷却及积累,反质子的强度仍然比质子的低得多,这样使得质子-反质子对撞机的亮度比质子-质子对撞机低得多,前者最大为1029~1030cm-2·s-1,后者则为1032cm-2·s-1。

  4、电子-质子对撞机这种对撞机的主要困难在于电子束的横截面很小,线度约为几分之一毫米,而质子的横截面较大,线度约为一厘米左右。前者束流较密集,后者较疏松,两者相撞时作用几率很小,目前正在研究中,实现这种对撞需建立两个环,一个是低磁场的常规磁铁环,以储存及加速电子;另一个是高场的超导磁体环,以储存并加速质子,两个环的半径相同并放在同一隧道中,所以电子的能量通常是几十吉电子伏,质子的能量为几百吉电子伏。随着加速器技术的提高,为了节约投资,新建的巨型加速器,往往在一个隧道中建造三个环,以便可能进行多种粒子对撞,例如质子质子、质子-反质子,电子-正电子、质子-电子对撞。

  5、电子直线对撞机为避免电子作回旋运动时同步辐射损失引起的困难,早在1965年已有人指出,在电子能量高于上百吉电子伏时,应采用直线型来进行对撞,就是说,应采用两台电子直线加速器加速两股运动方向相反的电子束(或正负电子束)待达到预定能量后,两股电子束被引出并在某点相碰。碰撞一次后的电子束即被遗弃,不再重复利用。当然,只有当这些被遗弃的电子束单位时间所带走的能量小于环形对撞机中同步辐射的损失功率,这种方案才会被考虑。另外,由于电子直线加速功率的限制,每秒能提供的电子束脉冲数是有限的,所以单位时间内发生的碰撞次数也比环形对撞机少得多,为了保证直线对撞机与环形对撞机有相同的亮度,要求在碰撞点的横截面进一步压缩,约比环形对撞机中的碰撞截面小几十到几百倍,十多年来技术上的进展,使这种对撞机受到重视,有关的各种问题正在解决中。

  
5、大型强子对撞机大型强子对撞器(Large Hadron Collider,LHC)是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN的粒子加速器与对撞机,作为国际高能物理学研究之用。(全球定位点:北纬46度14分00秒,东经6度03分00秒46.233333333333;6.05)LHC已经建造完成,北京时间2008年9月10日下午15:30正式开始运作,成为世界上最大的粒子加速器设施。LHC是一个国际合作的计划,由34国超过两千位物理学家所属的大学与实验室,所共同出资合作兴建的。

  LHC包含了一个圆周为27公里的圆形隧道,因当地地形的缘故位于地下50至150米之间。[1] 这是先前大型电子正子加速器(LEP)所使用隧道的再利用。隧道本身直径三米,位于同一平面上,并贯穿瑞士与法国边境,主要的部份大半位于法国。虽然隧道本身位于地底下,尚有许多地面设施如冷却压缩机,通风设备,控制电机设备,还有冷冻槽等等建构于其上。

  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。管中的质子是以相反的方向,环绕着整个环型加速器运行。除此之外,在四个实验碰撞点附近,另有安装其他的偏向磁铁及聚焦磁铁。

  两个对撞加速管中的质子,各具有的能量为 7 TeV (兆兆电子伏特,),总撞击能量达 14TeV之谱。每个质子环绕整个储存环的时间为 89 微秒(microsecond)。因为同步加速器的特性,加速管中的粒子是以粒子团(bunch)的形式,而非连续的粒子流。整个储存环将会有2800个粒子团,最短碰撞周期为25 纳秒(nanosecond)。在加速器开始运作的初期,将会以轨道中放入较少的粒子团的方式运作,碰撞周期为 75纳秒,再逐步提升到设计目标。

  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,由两个直线加速器所构成的质子同步加速器 (PS)将产生50MeV的能量,接着质子同步推进器 (PSB)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(LEIR)为一离子储存与冷却的装置。反物质减速器 (AD)可以将3.57 GeV的反质子,减速到2GeV。最后超级质子同步加速器 (SPS)可提升质子的能量到450 GeV。

  20余名中国科学家参与强子对撞机实验
在LHC加速环的四个碰撞点,分别设有五个侦测器在碰撞点的地穴中。其中超环面仪器 (ATLAS)与紧凑渺子线圈(CMS)是通用型的粒子侦测器。其他三个(LHC底夸克侦测器(LHCb),大型离子对撞器(ALICE)以及全截面弹性散射侦测器(TOTEM)则是较小型的特殊目标侦测器。

  LHC也可以用来加速对撞 重离子,例如 铅(Pb)离子可加速到1150 TeV。

  由于LHC有着对工程技术上极端的挑战,安全上的确保是极其重要的。当LHC开始运作时,磁铁中的总能量高达100亿焦耳(GJ),而粒子束中的总能量也高达725百万焦耳(MJ)。只需要10?7总粒子能量便可以使超导磁铁脱离超导态,而丢弃全部的加速粒子可相当于一个小型的爆炸。

  6、相对论重离子对撞机位于美国纽约长岛的布鲁柯海文国家实验室的世界顶级科学研究设备——相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy IonCollider,RHIC)。这一顶尖级研究设备经过10年的建设,于2000年正式运行。来自世界过各地的数百名物理学家,试图利用RHIC研究宇宙起源的最初时刻所发生的事情。该加速器驱动两束金离子束流对撞,以求帮助科学家理解从最小的粒子物理世界到最大的恒星世界的运作方式和原理。

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