目前各国粒子对撞机里面，对撞的粒子主要用什么粒子来对撞？杨振宁试验得的新粒子结论，用什么粒子对撞得到

更新时间2019-01-31 21:03:09

粒子对撞机是在高能同步加速器基础大型粒子对撞机上发展起来的一种装置，主要作用是积累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流，到一定强度及能量时使其进行对撞，以产生足够高的反应能量，粒子对撞的类别有选择正负电子的，有强子粒子对撞的，有质子对撞的和单质粒子对撞的等，目的是检验人们的实验仪器和探索微观粒子的宏观效应，认识量子粒子的新规律，新粒子，认识新物理等前沿的量子粒子物理科学。同时，粒子对撞也是一种天然粒子'机制'，人们探索'粒子对撞机制'的成因，探索'超对称'超额维度的存在，开发新材料。

作者：知乎用户链接：https://www.zhihu.com/question/29464394/answer/44836615来源：知乎著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。两个单独的粒子，如@pam phy所说，大概只能在的空间尺度才能发生「碰撞」。但在真正的对撞机中，承载加速粒子的真空管直径在厘米量级，基本上是不可能让它们相遇的，太空旷了。所以，聪明的你也想到了：让很多粒子同时在管道里运动不就行了嘛！也就是说，把粒子变成「粒子流」，行话叫「束流」（beam）。在一个标准大气压下，一立方厘米的氢气大概有个氢原子（也就是质子），看起来有戏！简单的说，就是「人海战术」，反应几率太小，那就用巨量的反应粒子来提高反应数量。

 

「束流」说白了就是把一大堆质子都加速到同样的能量，让它们反向在加速器中跑，然后选取加速管道上一个或者多个点（反应点）让它们对撞，大功告成！但从实验的角度来讲，连续的束流有不少缺点，最重要的一个就是：对粒子探测器来讲，连续的束流意味着连续的对撞，那么你怎么知道探测器上记录下的数据是来自于哪次碰撞？这个对粒子物理学家来说非常重要，因为对撞机实验最基本的第一步，就是要从探测器数据重建一个反应事例，类似于要从犯罪现场的蛛丝马迹，反推罪行发生的一刻究竟发生了什么。连续束流会让先后的对撞事例产生的次生粒子同时被探测器记录下来，也就意味着理论上你无法分辨这一个数据是从哪一个事例来的，那这些数据就没有任何意义。

为此，真正的对撞机里，束流其实是很多「团」粒子，按照严格的时间间隔，从次级加速器注入到主加速器管道中的。每一团这样的粒子，叫「团簇」（bunch）。我放个 LHC 的示意图：

图中红色和蓝色是两条相互独立的加速管道，束流就在里面跑圈——注意束流有两个，运动方向是反的。红蓝色交叉的地方就是反应点。橙色的斑点就是团簇。按照大型强子对撞机（LHC）的设计，每一个束流有 2808 个团簇；每一个团簇内部有大约1.15×10的11次方个质子；这些质子以近光速运动，换算过来就是，大概每 25 纳秒就会有两个团簇在反应点碰上，其中的 25~30 对质子会发生强碰撞（hard scattering），爆发出生命的大河蟹（见文末图）。当然，这不是巧合，如何让这些团簇里的质子都有相同的能量，如何保证它们在漫长的跑圈过程中（每一批束流在主环里一般需跑上10小时）不分散开并保持严格的间距，如何让两个束流的团簇能同步在反应点碰面，这些都是加速器物理学家和工程师付出巨大努力的结果。

 

附赠一个小彩蛋：不要被图中团簇蠢萌的椭球形骗了！虽然它叫「团簇」，但实际形状是长这样的：沿着管道的方向长约，可是横截面积是！这是什么概念？比头发丝还细！也就是说，长达 27 公里的两条 LHC 主环里，每一条里都等距跑着 2808 根反向近光速运动的头发丝！

真正的管道长下面这样子： 中间那两个小水管就是被抽成真空的加速管，外壁是用铍做的，因为铍是核数最小的稳定金属，可以最大限度减小质子束碰撞到管壁后发生的次生反应。包围在外面的大管子是冷却和供电装置，一些监控探测器也放置在里面。

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