電子對撞機

大型正負電子對撞機（Large Electron-Positron Collider，簡稱：LEP）是歐洲核子研究組織（CERN）的粒子加速器之一，1989年開始營運，位在瑞士和法國的邊界附近，大型正負電子對撞機的周長長達27公里，專門加速電子和正子，是目前已建成的最高能量的輕子加速器，且迄今為止還保留著粒子加速器的速度紀錄。在2000年末的時候，LEP被關(guān)停并拆解，以給在建的新的大型強子對撞機騰出軌道空間。

1、電子－正電子對撞機又稱正負電子對撞機，由于正負電子的電荷相反，所以這種對撞機只要建立一個環(huán)就可以了。相應的造價就比較低，世界上已建成的對撞機大部分是屬于這一類的。

但是，由于電子回旋時引起的同步輻射損失，使這種對撞機能量的進一步提高發(fā)生了困難，因為同步輻射功率與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撞機均采用大半徑方案，即采用只有幾千高斯的低磁場來控制電子的運動，即使如此，電子對撞機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的對撞機中運動時,每圈的輻射損失約為10MeV，如果對撞機中的回旋電流為1A，要補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，對撞機中高加速頻系統(tǒng)的功率絕大部分是用來補償這一同步輻射損失的。

輻射特性雖然給電子能量的進一步提高帶來了困難，但也有一定的好處，這是因為電子或正電子注入對撞機后，由于電子的輻射損失，使電子截面受到強烈的壓縮，電子很快集中到一個很小的區(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。

這種對撞機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，為了得到盡可能強的正電子束，往往需要建造一臺低能量的強流電子直線加速器。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，再注入到對撞機中去。由于正電子束的強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，才能達到足夠的強度。

2、質(zhì)子－質(zhì)子對撞機這種對撞機需要建造兩個環(huán),分別儲存兩束相反方向回旋的質(zhì)子束，才能實行質(zhì)子與質(zhì)子的對撞。由于質(zhì)子作回旋運動時，其同步輻射要比電子小得多，在質(zhì)子達到的能量范圍內(nèi)，可以略去不計，因此為縮小這類對撞機的規(guī)模,盡量采用強磁場,這就需要采用超導磁體。另外，質(zhì)子束的積累也不如電子對撞機那樣方便，它必須依靠動量空間的積累來實現(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)子束的動量散度壓縮上百倍，再注入到對撞機中去進行積累，質(zhì)子對撞機中的高頻加速系統(tǒng)主要是用來進行動量空間的積累及積累完畢后的進一步加速，因此所需要的高頻功率也比電子對撞機小得多。由于上述原因，質(zhì)子－質(zhì)子對撞機的規(guī)模要比電子－正電子對撞機大，投資也較高。

3、質(zhì)子－反質(zhì)子對撞機質(zhì)子與反質(zhì)子的質(zhì)量相同，電荷相反，也只需要造一個環(huán)就能進行對撞。這種對撞機發(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)子束強度既弱，性能又差，無法積累到足夠的強度與質(zhì)子對撞。70年代后期，“冷卻”技術(shù)的成功，給予這種對撞機巨大的生命力(見加速器技術(shù)和原理的發(fā)展)。

歐洲核子中心

建成的質(zhì)子對撞機如歐洲核子中心代號ISR的交叉儲存環(huán)，其能量為2×31GeV，它于1971年已投入運行。由于電子冷卻及隨機冷卻技術(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度，從而有可能在同一環(huán)中進行質(zhì)子－反質(zhì)子對撞。

為了增加對撞的幾率（即提高對撞機的亮度），歐洲核子中心于1981年將一臺能量為400GeV的質(zhì)子同步加速器（即SPS）改建成質(zhì)子－反質(zhì)子對撞機，并于1983年取得了極其重要的實驗成果，發(fā)現(xiàn)了W±、Z0粒子 。

70年代初期

70年代初期,出現(xiàn)了在對撞區(qū)中插入一種特殊的稱為低包絡插入節(jié)的聚焦結(jié)構(gòu)，使束流在對撞點的橫截面受到強烈的壓縮，從而使對撞點的束流密度大大增加。

由于采用了這種結(jié)構(gòu)，使70年代建造的對撞機的亮度比以前提高了一兩個數(shù)量級。另外，為了盡可能的延長束流的壽命，對撞機環(huán)內(nèi)的真空度平均不得低于10-8～10-9Torr,尤其是在對撞區(qū)附近。為了減少物理實驗的本底，即為了保證使束流與束流發(fā)生對撞的幾率大大超過束流與殘余氣體相撞的幾率，真空度應維持在10-10～10-11Torr左右。所以大體積高真空這一技術(shù)也隨著對撞機的發(fā)展而發(fā)展起來了。對撞機的類型電子－正電子對撞機又稱正負電子對撞機，由于正負電子的電荷相反，所以這種對撞機只要建立一個環(huán)就可以了。相應的造價就比較低，世界上已建成的對撞機大部分是屬于這一類的 。

同步輻射損失

但是，由于電子回旋時引起的同步輻射損失，使這種對撞機能量的進一步提高發(fā)生了困難，因為同步輻射功率與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撞機均采用大半徑方案，即采用只有幾千高斯的低磁場來控制電子的運動，即使如此，電子對撞機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的對撞機中運動時,每圈的輻射損失約為10MeV，如果對撞機中的回旋電流為1A，要補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，對撞機中高加速頻系統(tǒng)的功率絕大部分是用來補償這一同步輻射損失的。輻射特性雖然給電子能量的進一步提高帶來了困難，但也有一定的好處，這是因為電子或正電子注入對撞機后，由于電子的輻射損失，使電子截面受到強烈的壓縮，電子很快集中到一個很小的區(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。這種對撞機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，為了得到盡可能強的正電子束，往往需要建造一臺低能量的強流電子直線加速器。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，再注入到對撞機中去。由于正電子束的強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，才能達到足夠的強度。

質(zhì)子-質(zhì)子對撞機這種對撞機需要建造兩個環(huán),分別儲存兩束相反方向回旋的質(zhì)子束，才能實行質(zhì)子與質(zhì)子的對撞。由于質(zhì)子作回旋運動時，其同步輻射要比電子小得多，在質(zhì)子達到的能量范圍內(nèi)，可以略去不計，因此為縮小這類對撞機的規(guī)模,盡量采用強磁場,這就需要采用超導磁體。另外，質(zhì)子束的積累也不如電子對撞機那樣方便，它必須依靠動量空間的積累來實現(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)子束的動量散度壓縮上百倍，再注入到對撞機中去進行積累，質(zhì)子對撞機中的高頻加速系統(tǒng)主要是用來進行動量空間的積累及積累完畢后的進一步加速，因此所需要的高頻功率也比電子對撞機小得多。

由于上述原因，質(zhì)子－質(zhì)子對撞機的規(guī)模要比電子－正電子對撞機大，投資也較高。質(zhì)子－反質(zhì)子對撞機質(zhì)子與反質(zhì)子的質(zhì)量相同，電荷相反，也只需要造一個環(huán)就能進行對撞。這種對撞機發(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)子束強度既弱，性能又差，無法積累到足夠的強度與質(zhì)子對撞 。

“冷卻”技術(shù)的成功

70年代后期，“冷卻”技術(shù)的成功，給予這種對撞機巨大的生命力(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)子對撞機。

今后再建的超高能質(zhì)子同步加速器，均考慮了同時進行質(zhì)子－反質(zhì)子對撞的可能，由此可見，這一技術(shù)成功的意義是何等重要。實現(xiàn)質(zhì)子－反質(zhì)子對撞雖然比質(zhì)子－質(zhì)子對撞能節(jié)省一個大環(huán)，但也有一定的弱點，主要是由于盡管經(jīng)過冷卻及積累,反質(zhì)子的強度仍然比質(zhì)子的低得多,這樣使得質(zhì)子－反質(zhì)子對撞機的亮度比質(zhì)子－質(zhì)子對撞機低得多，前者最大為1029～1030cm-2·s-1,后者則為1032cm-2·s-1。電子－質(zhì)子對撞機這種對撞機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，兩者相撞時作用幾率很小 。

現(xiàn)階段的研究

正在研究中，實現(xiàn)這種對撞需建立兩個環(huán)，一個是低磁場的常規(guī)磁鐵環(huán),以儲存及加速電子；另一個是高場的超導磁體環(huán),以儲存并加速質(zhì)子，兩個環(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，往往在一個隧道中建造三個環(huán)，以便可能進行多種粒子對撞，例如質(zhì)子-質(zhì)子、質(zhì)子－反質(zhì)子，電子－正電子、質(zhì)子－電子對撞。電子直線對撞機為避免電子作回旋運動時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，應采用直線型來進行對撞，就是說，應采用兩臺電子直線加速器加速兩股運動方向相反的電子束（或正負電子束）待達到預定能量后，兩股電子束被引出并在某點相碰。碰撞一次后的電子束即被遺棄，不再重復利用。當然，只有當這些被遺棄的電子束單位時間所帶走的能量小于環(huán)形對撞機中同步輻射的損失功率，這種方案才會被考慮。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，所以單位時間內(nèi)發(fā)生的碰撞次數(shù)也比環(huán)形對撞機少得多，為了保證直線對撞機與環(huán)形對撞機有相同的亮度，要求在碰撞點的橫截面進一步壓縮，約比環(huán)形對撞機中的碰撞截面小幾十到幾百倍，十多年來技術(shù)上的進展，使這種對撞機受到重視，有關(guān)的各種問題正在解決中。