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多样的 对撞机
文章来源:   |  发布时间:2016-11-16  |  【打印】 【关闭】  |  浏览:
 

  挪威发明家Rolf Wideröe 在1943年提出了对撞机的想法,在20世纪50年代,欧洲、美国和苏联的科学家提出了各自建造对撞机的计划。1962世界上第一台对撞机,能量为的正负电子对撞机AdA在意大利弗拉斯卡蒂实验室建成(图3)。次年,美国和俄国也分别建成了正负电子对撞机。在这以后,对撞机随粒子物理的发展需求,如雨后春笋出现在世界各大高能物理实验室。表2是迄今为止对撞机家族的成员。

  表2 对撞机家族成员

  从表中可以看出,按照对撞粒子的种类,对撞机可分为电子对撞机,质子-质子(pp)对撞机,电子-质子对撞机(ep)和重离子对撞机等;按照对撞机的形状,又有环形(单环或双环)与线形之分。从能量和规模看,第一台对撞机AdA质心系能量为0.5GeV,周长约4m,只有桌面大小;而现代大型加速器的质心系能量最高为14TeV,周长27公里,整个设施犹如一座小城镇,造价高达30亿美元以上。

   

  图3 世界上第一台对撞机AdA

  从表2中可以看出,电子对撞机共有21台,是对撞机家族中的最大成员,而且品种很多:既有早期原理验证性对撞机AdA、CBX、VEP-1和ACO等,又有规模最大的LEP;既有功勋卓著的SPEAR(在其上发现了粒子),又有曾被寄予厚望的PETRA、PEP、Tristan和CESR等;既有早年探索过高亮度的DORIS和DCI,又有先驱直线对撞机SLC。近年来,两台采用双环、能量不对称、多束团对撞的B介子工厂,即美国的PEP-II和日本的KEKB,相继建成,亮度达到以上,成为目前世界上亮度最高的对撞机。它们正在大量“生产”B介子,深入进行B系统中的CP破坏等方面的研究。图4是KEKB隧道的照片。正负电子环在隧道里左右放置,照片中央的是能量为8GeV的电子环,其右侧是3.5GeV的正电子环。正负电子束在一个对撞点交叉对撞。照片近处是新安装的Crab高频腔,它的作用是把夹角对撞变成对头碰撞。人们期望这个装置可以把KEKB的亮度再提高一倍以上。

   

  图4 KEKB加速器隧道

  上面已经谈过,美国FNAL实验室的Tevatron的质心能量已达到1.8TeV,接近费米之梦的3TeV。那么,它是什么样子的呢?图5是Tevatron的布局示意图。从图中可以看出,Tevatron是一个多级的加速器复合体:质子束由预注入器加速到750keV,送到一台200MeV的直线加速器,注入到增强器并加速到8GeV,再输送到主注入器中,加速到120GeV,一部分注入到TEVATRON中积累、储存,另一部分通过束流输运线送到靶站,打靶产生反质子,并送到反质子环积累、冷却,提高流强、减小发射度,再送回主注入器加速到120GeV,最后注入到Tevatron中积累、储存,并与质子对撞。在Tevatron的质子-反质子对撞中,科学家在1994年发现了期待以久的t夸克。近年来,科学家又对Tevatron做了改进,进一步提高了亮度,争取在LHC建成前在粒子物理上有新的发现。

   

  图5 Tevatron的布局示意图

  美国BNL的相对论性重离子对撞机RHIC于1999建成,是目前世界上唯一的一台重离子对撞机,它可以加速从质子(250 GeV)直到金离子(100 GeV/核子)的各种离子并使之对撞,图6是RHIC的鸟瞰。重离子从串列静电加速器(Tendem)出发,经过重离子传输线HITL送到直线加速器注入增强器,再送到交变梯度同步加速器AGS加速,最后通过AGS到RHIC的束流传输线ATR注入到RHIC。在RHIC中,相互对撞的是同一种重离子,分别在两个独立的超导储存环中积累、加速、储存,并在六个对撞点交叉对撞。RHIC旨在重现宇宙大爆炸后早期的现象,研究重离子对撞产生夸克-胶子等离子体等复杂的现象。

   

  图6 RHIC鸟瞰

  德国同步加速器实验室(DESY)的HERA 是世界上唯一的质子-电子对撞机,820GeV 的质子束和30 GeV的电子束在其中对撞,被称为探测质子结构的超级电子显微镜。图7是HERA隧道,照片上方是质子储存环,下方是电子储存环,电子束和质子束在四个对撞区交叉对撞。HERA于1992 建成后即投入运行,取得了一系列物理成果。

   

  图7 HERA加速器隧道

  自从1995年美国的超级超导对撞机SSC计划被否决后,人们就把希望寄托在欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机LHC上。图8安装中LHC。

   

  图8安装中的LHC

  LHC安装在周长为27公里的LEP的隧道中,从图中我们可以看到LHC弧区的超导磁铁,在全环共有1232块超导偏转磁铁,392块超导四极磁铁,和许多其他磁铁和设备。LHC可以把质子束加速到,大大超过了费米在1954年梦想建造的地球对撞机的能量。LHC是迄今为止人类建造的最大的加速器装置,它将在2007年底建成。建成后科学家将能用以洞察物质结构的更深层次,寻找他们梦寐以求的黑格斯粒子,重现和观察大爆炸后早期宇宙的现象。

原文链接:http://cloud.kepu.cn/space/gaonengwuli/cs_lztm/201506/t20150617_13844.html

 

 
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