對(duì)撞機(jī)，顧名思義就是實(shí)現(xiàn)兩束高能粒子對(duì)頭碰撞的機(jī)器。
目前，世界上能量最高的對(duì)撞機(jī)要算德國漢堡電子同步加速器中心的電子—正電子對(duì)撞機(jī)（PETRA）。它于1976年1月動(dòng)工，1979年4月正式建成。約相當(dāng)于普通高能加速器能量的1444萬億電子伏。
西歐核子研究中心的ISR是目前世界上最大的質(zhì)子—質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。能量可達(dá)31。4GeV，約相當(dāng)于普通能量高能加速器能量的21.022億電子伏。
利用對(duì)撞機(jī)，能獲得極高的能量�？墒牵趯�(duì)撞機(jī)上，進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)畢竟有限，所以它和高能加速器應(yīng)是相輔相成的。對(duì)撞機(jī)只不過是高能加速器的補(bǔ)充而不是代替。
相關(guān)資料：
在高能同步加速器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種裝置，其主要作用是積累并加速相繼由前級(jí)加速器注入的兩束粒子流，到一定束流強(qiáng)度及一定能量時(shí)使其在相向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)撞，以產(chǎn)生足夠高的相互作用反應(yīng)率，便于測(cè)量。
用高能粒子轟擊靜止靶（粒子）時(shí)，只有質(zhì)心系中的能量才是粒子相互作用的有效能量，它只占實(shí)驗(yàn)室系中粒子總能量的一部分。如果射到靶上的粒子能量為 E，則對(duì)靶中同種粒子作用的質(zhì)心系能量約為 (E為粒子的靜止能量)。可見，隨著Eo的增高，用于相互作用的那部分能量所占的比例將越來越小，即被加速粒子能量的
對(duì)撞機(jī)的主要指標(biāo)除能量外還有亮度。所謂對(duì)撞機(jī)的亮度是指該對(duì)撞機(jī)中所發(fā)生的相互作用反應(yīng)率除以該相互作用的反應(yīng)截面。顯然亮度越高對(duì)撞機(jī)的性能就越好,1986年時(shí)對(duì)撞機(jī)達(dá)到的亮度約在1029～1032cm-2·s-1。
歷史
20世紀(jì)50年代初，加速器的設(shè)計(jì)者就有過利用對(duì)撞束來獲得更高質(zhì)心系能量的設(shè)想，但是鑒于加速器中束流的強(qiáng)度太低,束流密度遠(yuǎn)低于靶的粒子密度,雙束對(duì)撞引起的相互作用反應(yīng)率將比束流轟擊固定靶時(shí)發(fā)生的反應(yīng)率低106倍,這樣,很難進(jìn)行最低限度的測(cè)量,這種設(shè)想就沒有得到應(yīng)有的重視，1956年人們開始懂得依靠積累技術(shù)，可以獲得必要強(qiáng)度的束流，從而使對(duì)撞機(jī)的研究真正被提到日程上來。
正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的造價(jià)低，技術(shù)簡單，因此它是首先研究的對(duì)象。最初的兩臺(tái)對(duì)撞機(jī)是1961年投入運(yùn)行的，不久又相繼出現(xiàn)了好幾臺(tái)低能量的電子對(duì)撞機(jī)。B.里希特就是在美國斯坦福直線加速器中心的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)SPEAR上發(fā)現(xiàn)著名的 J/ψ粒子的（同時(shí)在美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室由丁肇中教授發(fā)現(xiàn)），為近代高能物理的發(fā)展作出了很大的貢獻(xiàn)，正是由于這一成就為后來人們下決心建造更大的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)起了決定性的作用。
目前建成的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)如歐洲核子中心代號(hào) ISR的交叉儲(chǔ)存環(huán)，其能量為2×31GeV，它于1971年已投入運(yùn)行。
由于電子冷卻及隨機(jī)冷卻技術(shù)（見加速器技術(shù)和原理的發(fā)展）的成功,使反質(zhì)子束的性能大大得到改善,而且束流可以積累到足夠的強(qiáng)度，從而有可能在同一環(huán)中進(jìn)行質(zhì)子－反質(zhì)子對(duì)撞。歐洲核子中心于1981年將一臺(tái)能量為 400GeV的質(zhì)子同步加速器（即SPS）改建成質(zhì)子－反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，并于1983年取得了極其重要的實(shí)驗(yàn)成果，發(fā)現(xiàn)了W±、Z0粒子。
對(duì)撞機(jī)特點(diǎn)
與同步加速器極為相似，對(duì)撞機(jī)呈環(huán)形，沿環(huán)安放著磁鐵系統(tǒng)、高頻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)以及探測(cè)和校正系統(tǒng)等。此外，它沿圓環(huán)還有兩個(gè)或兩個(gè)以上專供對(duì)撞用的特殊長直線節(jié)，探測(cè)儀器就被安置在長直線節(jié)內(nèi)的對(duì)撞點(diǎn)附近的空間中。使電荷相反，靜止質(zhì)量相同的兩束粒子相碰比較簡單，只要建立一個(gè)環(huán)就行了。如果是電荷相同的同種粒子相撞，就必須要建立兩個(gè)環(huán)。兩個(gè)環(huán)的外加磁場(chǎng)方向相反。這兩個(gè)環(huán)可以建在同一平面中，使其在幾個(gè)交叉的地方進(jìn)行對(duì)撞；也可以建立在上下兩個(gè)不同平面中，用特殊的電磁場(chǎng)使兩種粒子在長直線節(jié)內(nèi)相撞，此外，高能量的對(duì)撞機(jī)還需要用一臺(tái)高能加速器（一般用同步加速器或直線加速器）作為注入器，先把粒子加速到一定能量,再注入到對(duì)撞機(jī)中去進(jìn)行積累,進(jìn)一步加速及對(duì)撞。積累、加速及對(duì)撞是對(duì)撞機(jī)的三大機(jī)能，所謂積累是設(shè)法把高能加速器在不同時(shí)間加速出來的脈沖粒子束團(tuán)積累在對(duì)撞機(jī)環(huán)形真空室（稱為儲(chǔ)存環(huán)）中。一般需要積累幾十或上千個(gè)束團(tuán)，才能達(dá)到對(duì)撞所需的強(qiáng)度。電子同步加速器的束流團(tuán)的積累是依靠同步輻射來完成的，同步輻射雖然使同步加速器的能量難于進(jìn)一步提高，但卻使得電子束的橫向及縱向的尺寸在加速過程中大大收縮，即密度大大提高，利用這一特性就可以積累一股很強(qiáng)的電子束流。質(zhì)子卻沒有這種特性，這就需要用動(dòng)量積累過程來得到強(qiáng)流質(zhì)子束。積累以后，對(duì)撞機(jī)還可以將注入其中的高能粒子進(jìn)一步加速到更高的能量，對(duì)撞機(jī)的這一作用與普通的同步加速器完全一樣，粒子的能量是由安置在圓環(huán)上的高頻加速腔供給的，在整個(gè)加速過程中，對(duì)撞機(jī)的磁場(chǎng)逐漸上升，高頻腔的頻率也被嚴(yán)格控制得與被加速粒子的回旋頻率一樣或成整數(shù)倍，從而使粒子不斷地被加速到更高能量。當(dāng)粒子被加速到預(yù)定能量后，對(duì)撞機(jī)的磁場(chǎng)就被維持在相應(yīng)的恒定值上，粒子束就在環(huán)形真空室中不斷地回旋，兩束并在對(duì)撞區(qū)域內(nèi)某點(diǎn)發(fā)生對(duì)撞。這時(shí)布置在對(duì)撞區(qū)周圍的測(cè)量儀器,就可對(duì)碰撞時(shí)發(fā)生的事例不斷地進(jìn)行測(cè)量,剩下的沒有起反應(yīng)的粒子將繼續(xù)在環(huán)里回旋運(yùn)動(dòng)，等到下一次到達(dá)對(duì)撞區(qū)時(shí)再度發(fā)生對(duì)撞。一直到束流的強(qiáng)度降低到不能再作物理實(shí)驗(yàn)為止，這時(shí)兩股束流的壽命也就中止了。束流的壽命一般可達(dá)幾小時(shí)或幾十小時(shí)，所以作為注入器的高能加速器只有在積累過程中才把粒子束流提供給對(duì)撞機(jī)，而在對(duì)撞的過程中，還可供轟擊靜止靶的物理實(shí)驗(yàn)用。為了增加對(duì)撞的幾率（即提高對(duì)撞機(jī)的亮度）,70年代初期,出現(xiàn)了在對(duì)撞區(qū)中插入一種特殊的稱為低包絡(luò)插入節(jié)的聚焦結(jié)構(gòu)，使束流在對(duì)撞點(diǎn)的橫截面受到強(qiáng)烈的壓縮，從而使對(duì)撞點(diǎn)的束流密度大大增加。由于采用了這種結(jié)構(gòu)，使70年代建造的對(duì)撞機(jī)的亮度比以前提高了一兩個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，為了盡可能的延長束流的壽命，對(duì)撞機(jī)環(huán)內(nèi)的真空度平均不得低于 10-8～10-9 Torr,尤其是在對(duì)撞區(qū)附近。為了減少物理實(shí)驗(yàn)的本底，即為了保證使束流與束流發(fā)生對(duì)撞的幾率大大超過束流與殘余氣體相撞的幾率，真空度應(yīng)維持在10-10～10-11Torr左右。所以大體積高真空這一技術(shù)也隨著對(duì)撞機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來了。
對(duì)撞機(jī)的類型
1、電子－正電子對(duì)撞機(jī) 又稱正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，由于正負(fù)電子的電荷相反，所以這種對(duì)撞機(jī)只要建立一個(gè)環(huán)就可以了。相應(yīng)的造價(jià)就比較低，目前世界上已建成的對(duì)撞機(jī)大部分是屬于這一類的。
但是，由于電子回旋時(shí)引起的同步輻射損失，使這種對(duì)撞機(jī)能量的進(jìn)一步提高發(fā)生了困難，因?yàn)橥捷椛涔β逝c電子的能量二次方成正比，且與回旋半徑的平方成反比，為了減少輻射損失，一般高能量的電子對(duì)撞機(jī)均采用大半徑方案，即采用只有幾千高斯的低磁場(chǎng)來控制電子的運(yùn)動(dòng)，即使如此，目前電子對(duì)撞機(jī)的最高能量仍然受到很大的限制，例如,10GeV的電子在曲率半徑為100m的對(duì)撞機(jī)中運(yùn)動(dòng)時(shí),每圈的輻射損失約為10MeV，如果對(duì)撞機(jī)中的回旋電流為1A，要補(bǔ)償這束電子流的輻射損失，就需要平均功率為10MW的高頻功率。假如正電子流也為1A，則總的平均功率為20MW，由此可見，對(duì)撞機(jī)中高加速頻系統(tǒng)的功率絕大部分是用來補(bǔ)償這一同步輻射損失的。
輻射特性雖然給電子能量的進(jìn)一步提高帶來了困難，但也有一定的好處，這是因?yàn)殡娮踊蛘娮幼⑷雽?duì)撞機(jī)后，由于電子的輻射損失，使電子截面受到強(qiáng)烈的壓縮，電子很快集中到一個(gè)很小的區(qū)域中，其余的空間可以用來容納再一次注入的電子，這樣使積累過程簡化，而且允許采用較低能量的注入器，通常采用直線加速器，也有采用電子同步加速器的。
這種對(duì)撞機(jī)中所需的正電子是由能量為幾十兆電子伏以上的電子打靶后產(chǎn)生的，為了得到盡可能強(qiáng)的正電子束，往往需要建造一臺(tái)低能量的強(qiáng)流電子直線加速器。另外產(chǎn)生出來的正電子束尚需再度注入到注入器中，與電子一起加速到必要的能量，再注入到對(duì)撞機(jī)中去。由于正電子束的強(qiáng)度只及電子束的千分之一到萬分之一，所以需要幾分甚至幾十分鐘的積累，才能達(dá)到足夠的強(qiáng)度。
2、質(zhì)子－質(zhì)子對(duì)撞機(jī) 這種對(duì)撞機(jī)需要建造兩個(gè)環(huán),分別儲(chǔ)存兩束相反方向回旋的質(zhì)子束，才能實(shí)行質(zhì)子與質(zhì)子的對(duì)撞。由于質(zhì)子作回旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，其同步輻射要比電子小得多，在目前質(zhì)子達(dá)到的能量范圍內(nèi)，可以略去不計(jì)，因此為縮小這類對(duì)撞機(jī)的規(guī)模,盡量采用強(qiáng)磁場(chǎng),這就需要采用超導(dǎo)磁體。另外，質(zhì)子束的積累也不如電子對(duì)撞機(jī)那樣方便，它必須依靠動(dòng)量空間的積累來實(shí)現(xiàn)。為此，必須首先在高能同步加速器中，將質(zhì)子加速到高能（一般為幾十吉電子伏），依靠絕熱壓縮，將質(zhì)子束的動(dòng)量散度壓縮上百倍，再注入到對(duì)撞機(jī)中去進(jìn)行積累，質(zhì)子對(duì)撞機(jī)中的高頻加速系統(tǒng)主要是用來進(jìn)行動(dòng)量空間的積累及積累完畢后的進(jìn)一步加速，因此所需要的高頻功率也比電子對(duì)撞機(jī)小得多。由于上述原因，質(zhì)子－質(zhì)子對(duì)撞機(jī)的規(guī)模要比電子－正電子對(duì)撞機(jī)大，投資也較高。
3、質(zhì)子－反質(zhì)子對(duì)撞機(jī) 質(zhì)子與反質(zhì)子的質(zhì)量相同，電荷相反，也只需要造一個(gè)環(huán)就能進(jìn)行對(duì)撞。這種對(duì)撞機(jī)發(fā)展得較晚，主要原因在于由高能質(zhì)子束打靶產(chǎn)生的反質(zhì)子束強(qiáng)度既弱，性能又差，無法積累到足夠的強(qiáng)度與質(zhì)子對(duì)撞。70年代后期，“冷卻”技術(shù)的成功，給予這種對(duì)撞機(jī)巨大的生命力(見加速器技術(shù)和原理的發(fā)展)。
由于冷卻技術(shù)的成功，使得現(xiàn)有的高能質(zhì)子同步加速器，只要它的磁鐵性能及真空度夠好的話，均有可能可以改成質(zhì)子－反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。今后再建的超高能質(zhì)子同步加速器，均考慮了同時(shí)進(jìn)行質(zhì)子－反質(zhì)子對(duì)撞的可能，由此可見，這一技術(shù)成功的意義是何等重要。
實(shí)現(xiàn)質(zhì)子－反質(zhì)子對(duì)撞雖然比質(zhì)子－質(zhì)子對(duì)撞能節(jié)省一個(gè)大環(huán)，但也有一定的弱點(diǎn)，主要是由于盡管經(jīng)過冷卻及積累,反質(zhì)子的強(qiáng)度仍然比質(zhì)子的低得多,這樣使得質(zhì)子－反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)的亮度比質(zhì)子－質(zhì)子對(duì)撞機(jī)低得多，前者最大為1029～1030cm-2·s-1, 后者則為1032cm-2·s-1。
4、電子－質(zhì)子對(duì)撞機(jī) 這種對(duì)撞機(jī)的主要困難在于電子束的橫截面很小，線度約為幾分之一毫米，而質(zhì)子的橫截面較大,線度約為一厘米左右。前者束流較密集,后者較疏松，兩者相撞時(shí)作用幾率很小，目前正在研究中，實(shí)現(xiàn)這種對(duì)撞需建立兩個(gè)環(huán)，一個(gè)是低磁場(chǎng)的常規(guī)磁鐵環(huán),以儲(chǔ)存及加速電子；另一個(gè)是高場(chǎng)的超導(dǎo)磁體環(huán),以儲(chǔ)存并加速質(zhì)子，兩個(gè)環(huán)的半徑相同并放在同一隧道中，所以電子的能量通常是幾十吉電子伏，質(zhì)子的能量為幾百吉電子伏。隨著加速器技術(shù)的提高,為了節(jié)約投資,新建的巨型加速器，往往在一個(gè)隧道中建造三個(gè)環(huán)，以便可能進(jìn)行多種粒子對(duì)撞，例如質(zhì)子質(zhì)子、質(zhì)子－反質(zhì)子，電子－正電子、質(zhì)子－電子對(duì)撞。
5、電子直線對(duì)撞機(jī) 為避免電子作回旋運(yùn)動(dòng)時(shí)同步輻射損失引起的困難，早在1965年已有人指出，在電子能量高于上百吉電子伏時(shí)，應(yīng)采用直線型來進(jìn)行對(duì)撞，就是說，應(yīng)采用兩臺(tái)電子直線加速器加速兩股運(yùn)動(dòng)方向相反的電子束（或正負(fù)電子束）待達(dá)到預(yù)定能量后，兩股電子束被引出并在某點(diǎn)相碰。碰撞一次后的電子束即被遺棄，不再重復(fù)利用。當(dāng)然，只有當(dāng)這些被遺棄的電子束單位時(shí)間所帶走的能量小于環(huán)形對(duì)撞機(jī)中同步輻射的損失功率，這種方案才會(huì)被考慮。另外，由于電子直線加速功率的限制，每秒能提供的電子束脈沖數(shù)是有限的，所以單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的碰撞次數(shù)也比環(huán)形對(duì)撞機(jī)少得多，為了保證直線對(duì)撞機(jī)與環(huán)形對(duì)撞機(jī)有相同的亮度，要求在碰撞點(diǎn)的橫截面進(jìn)一步壓縮，約比環(huán)形對(duì)撞機(jī)中的碰撞截面小幾十到幾百倍，十多年來技術(shù)上的進(jìn)展，使這種對(duì)撞機(jī)受到重視，有關(guān)的各種問題正在解決中。
5、大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī) 大型強(qiáng)子對(duì)撞器(Large Hadron Collider，LHC)是一座位于瑞士日內(nèi)瓦近郊?xì)W洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對(duì)撞機(jī)，作為國際高能物理學(xué)研究之用。(全球定位點(diǎn)：北緯46度14分00秒，東經(jīng)6度03分00秒46.233333333333;6.05) LHC已經(jīng)建造完成，北京時(shí)間2008年9月10日下午15：30正式開始運(yùn)作，成為世界上最大的粒子加速器設(shè)施。LHC是一個(gè)國際合作的計(jì)劃，由34國超過兩千位物理學(xué)家所屬的大學(xué)與實(shí)驗(yàn)室，所共同出資合作興建的。
LHC包含了一個(gè)圓周為27公里的圓形隧道，因當(dāng)?shù)氐匦蔚木壒饰挥诘叵?0至150米之間。[1] 這是先前大型電子正子加速器 (LEP)所使用隧道的再利用。隧道本身直徑三米，位于同一平面上，并貫穿瑞士與法國邊境，主要的部份大半位于法國。雖然隧道本身位于地底下，尚有許多地面設(shè)施如冷卻壓縮機(jī)，通風(fēng)設(shè)備，控制電機(jī)設(shè)備，還有冷凍槽等等建構(gòu)于其上。
加速器通道中，主要是放置兩個(gè)質(zhì)子束管。加速管由超導(dǎo)磁鐵所包覆，以液態(tài)氦來冷卻。管中的質(zhì)子是以相反的方向，環(huán)繞著整個(gè)環(huán)型加速器運(yùn)行。除此之外，在四個(gè)實(shí)驗(yàn)碰撞點(diǎn)附近，另有安裝其他的偏向磁鐵及聚焦磁鐵。
兩個(gè)對(duì)撞加速管中的質(zhì)子，各具有的能量為 7 TeV (兆兆電子伏特,)，總撞擊能量達(dá) 14 TeV之譜。每個(gè)質(zhì)子環(huán)繞整個(gè)儲(chǔ)存環(huán)的時(shí)間為 89 微秒 (microsecond)。因?yàn)橥郊铀倨鞯奶匦�，加速管中的粒子是以粒子團(tuán)(bunch)的形式，而非連續(xù)的粒子流。整個(gè)儲(chǔ)存環(huán)將會(huì)有2800個(gè)粒子團(tuán)，最短碰撞周期為 25 納秒(nanosecond)。在加速器開始運(yùn)作的初期，將會(huì)以軌道中放入較少的粒子團(tuán)的方式運(yùn)作，碰撞周期為 75 納秒，再逐步提升到設(shè)計(jì)目標(biāo)。
在粒子入射到主加速環(huán)之前，會(huì)先經(jīng)過一系列加速設(shè)施，逐級(jí)提升能量。其中，由兩個(gè)直線加速器所構(gòu)成的質(zhì)子同步加速器 (PS)將產(chǎn)生50 MeV的能量，接著質(zhì)子同步推進(jìn)器 (PSB)提升能量到1.4GeV。而質(zhì)子同步加速環(huán)可達(dá)到26 GeV的能量。低能量入射環(huán)(LEIR)為一離子儲(chǔ)存與冷卻的裝置。反物質(zhì)減速器 (AD)可以將3.57 GeV的反質(zhì)子，減速到2 GeV。最后超級(jí)質(zhì)子同步加速器 (SPS)可提升質(zhì)子的能量到450 GeV。
20余名中國科學(xué)家參與強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)
在LHC加速環(huán)的四個(gè)碰撞點(diǎn)，分別設(shè)有五個(gè)偵測(cè)器在碰撞點(diǎn)的地穴中。其中超環(huán)面儀器 (ATLAS)與緊湊渺子線圈 (CMS)是通用型的粒子偵測(cè)器。其他三個(gè)(LHC底夸克偵測(cè)器(LHCb), 大型離子對(duì)撞器(ALICE)以及全截面彈性散射偵測(cè)器(TOTEM)則是較小型的特殊目標(biāo)偵測(cè)器。
LHC也可以用來加速對(duì)撞 重離子，例如 鉛(Pb)離子可加速到1150 TeV。
由于LHC有著對(duì)工程技術(shù)上極端的挑戰(zhàn)，安全上的確保是極其重要的。當(dāng)LHC開始運(yùn)作時(shí)，磁鐵中的總能量高達(dá)100億焦耳(GJ)，而粒子束中的總能量也高達(dá)725百萬焦耳(MJ)。只需要10?7總粒子能量便可以使超導(dǎo)磁鐵脫離超導(dǎo)態(tài)，而丟棄全部的加速粒子可相當(dāng)于一個(gè)小型的爆炸。
