粒子对撞机的基本构造是什么样的

粒子对撞机的作用就是切割微观粒子，其原理是量子力学。

我们的世界是由无数个微观粒子组成了，例如分子、原子、夸克。科学家们一直好奇，组成我们的这些微观粒子的内部又是什么样子的呢？所以在机缘巧合之下，通过量子力学的原理创造出了粒子对撞机，粒子对撞机就是一种设置高能粒子相互碰撞的机器，通俗地来讲就是一把可以切割微观粒子的手术刀。

粒子对撞机的前身是同步加速器，二者的外形非常相似都是环形，通过磁场对粒子施加越来越大的能量，使其接近光速之后撞击目标粒子。主要步骤有三步，分别是累积、加速、对撞。其实要控制一个粒子相撞是非常困难的，所以一般都是使用大量的粒子束来对撞，以增大粒子对撞的频率。

粒子对撞的时候必须有很大的能量才能碎裂，如果能量不够的话，对撞的粒子会结合在一起组成新的粒子。粒子对撞机的外形成环形就是这个原因，环型可以增加粒子加速的路径，给粒子更大的加速度以获得更多的能量。

粒子对撞机的发明为科学界带来了许多的新篇章，很多特殊的微观粒子都是在粒子对撞机中发现的，我国目前拥有的粒子对撞机诞生于1990年的北京，是一台正负电子对撞机，华人丁肇中 还因为电子对撞机上发现全新的粒子而获得过诺贝尔奖。

虽然粒子对撞机很好，但是目前我们国家并没有继续研究大型粒子对撞机的设想，科学家们还表示就算研制成功了，在未来的50年之内也没有什么具体意义。所以粒子对撞机目前还是一个属于未来的东西，希望在未来有一天物理学可以有突破性的发展，让尘封粒子对撞机再次为人类做出贡献。

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

粒子对撞机，是一种将微观粒子加速对撞的高能物理专业装置。它可以帮助物理学家探索、发现和量化粒子。它最基本的作用是在高能加速器中积累并加速粒子流，达到一定强度及能量时使它们对撞，以产生实验预期的足够高的反应能量。

对撞机可以利用一种特殊电磁场将粒子加速到接近光速的极大速度，去轰击其他粒子，打碎本来难以分割的微小粒子，以研究其结构性质和击碎效应。粒子可达到的能量级400GeV，甚至更高。

作为基础学科的研究设施，对撞机在高能物理学领域应用广泛。今天我们来聊聊粒子对撞机在探索宇宙物质起源的天文物理中的作用。

20世纪下半叶，物理学家已经知晓了宇宙膨胀的观测结果和大爆炸理论，他们对宇宙起源时比原子更小的亚原子粒子怀有兴趣。如果大爆炸成立，那必须证明存在一种途径，使得一个点上发生的大爆炸能产生今天宇宙中所有的物质。

如果粒子对撞机能揭示物质的真实性质，就可以由此发现最基本的物质是怎样产生于大爆炸之中的。反之，如果实验显示大爆炸中不可能产生最基本的物质，那么大爆炸理论也就不能成立。

现代的粒子对撞机非常大。例如，设在瑞士的欧洲联合核子物理中心CERN（又名欧洲粒子物理实验室），它的大型强子对撞机（LHC，Large Hadron Collider ）是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器。它位于地下的隧道加速环的长度达17英里（约27公里），是由34个国家的大学及实验室合作兴建的。

粒子对撞机可以把数以百万计的粒子加速至光速的99.999%，粒子流每秒钟在周长27公里的加速环内狂飙11245圈。实验发现的粒子碰撞的过程径迹，是探索宇宙起源最前沿的粒子对撞奇观。重要的实验成果还有b介子、W+/-、Z。等粒子的发现。

科学家设想，只要粒子发生碎裂或衰变，就会伴随能量转变和释放，那么对撞机能够证明这一点吗？

首先，粒子对撞实验中，科学家精确地测量到了电子与原子碰撞中有多少能量释放出来。表明能量和质量在一定方式下可以相互转换，也测到了接近光速时的粒子所增加的质量。实验得到的结果，再次验证了爱因斯坦狭义相对论的准确性，即E=mc^2。质能可以相互转换。

其次，在大功率对撞机上科学家已经能短暂地达到当初大爆炸1秒钟之内的温度，此刻的碰撞所发生的事实是：在极高温下，碰撞后的粒子径迹出现了极短暂的滞后时差，即碰撞后先产生纯粹的能量，而后再在这些能量中才产生了粒子径迹。这就是物质最初产生的由来。这个实验得到的解释，与其他所有已知的大爆炸存在的证据都是一致的，也与宇宙起始于一次大爆炸的数学模型一致。大爆炸理论又一次获得实验证据的支持。

研究团队反复的粒子对撞实验结果均显示：在粒子对撞机中已经明白无误地观察并记录到，粒子可以变为能量，而能量也可以变为粒子。相对于所有的物质，能量更是最基本的。而大爆炸中产生的足够多的剩余粒子总量形成了如今宇宙的全部物质。

这就是粒子对撞机给我们的答案。从这个意义上说，宇宙并非“无中生有”，它来自既不可触摸又无形的能量。