关于大型强子对撞机，以及其它加速器

BiscuiT

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3月30日，大型强子对撞机以7万亿电子伏的能量实现了粒子束对撞。LHC建成之前，全球能量最高的对撞机是费米实验室的万亿电子伏对撞机Tevatron，目前Tevatron正计划关闭。而美国Brookhaven的相对论重离子对撞机(RHIC)虽然能量没有Tevatron高，却将持续运行。左图为RHIC控制室。

LHC中有一系列探测器，用来探测之前没被观测到的粒子，以及量很少的、以至于不会与其它东西发生反应的暗物质。

加速器的原理

近代粒子加速器几乎都基于相同的原理：将原子的电子移除，利用原子核电荷将其加速至近光速，两束同种粒子构成的粒子束以相反的方向在环形加速器中运行，在恰当的时候，粒子束互相交叉，粒子就会有碰撞的机会。对LHC来说，使用的粒子是最简单的原子核，氢原子中的质子。RHIC使用的粒子是金原子核，有79个质子和90个中子。

原子核的速度如此接近光速，以至在速度方向上长度会缩短，事实上由于有人抗议，Brookhaven的科学家已经把图示中的球形换成了碟形。由于运动速度是如此之快，以至于大量正电荷聚集所导致的强大斥力都没有机会发挥作用来减慢速度。

当粒子对撞时，拥有超强能量的粒子停下来了，能量得转化成别的东西，一些能量以无静止质量的光子形式飞出，但是由于质量和能量能相互转化，一部分能量直接变为了质量和动能，使得从碰撞中制造出了大量粒子。

为什么LHC很重要?

RHIC使用金原子核，而LHC使用质子，由于能量与质量相对应，如果我们希望制造出更重的粒子，就需要为碰撞注入更强的能量。所以，如果一种粒子的质量“等同于”万亿电子伏，那我们就需要至少这么多的能量，才有可能制造出这种粒子。能量越高，制造出这种粒子的可能性就越大。

在过去超过10年的时间中，最高能量的对撞机就是费米实验室Tevatron加速器，其碰撞能量低于2万亿电子伏。这个能量能轻松制造出顶夸克，也有可能制造出理论预言中的希格斯(Higgs)粒子，但是发现Higgs子的概率很低，即需要运转很长时间，需要大量数据才能确认。

LHC的最高能量能比Tevatron高一个数量级，其光度（luminosity）也更高，更有可能发现Higgs子和其他理论语言中的粒子。

其它对撞机的使命是什么?

能量较低的对撞机如RHIC的使命是什么呢？RHIC的最高能量也不能制造出顶夸克，为什么在费米实验室Tevatron加速器即将关闭时，RHIC还会继续运行呢？LHC 是研究粒子的，而RHIC是研究量子色动力学的。LHC也能做量子色动力学研究，其ALICE探测器就能做这个事情。但是这并不是LHC设计的目的，发现Higgs子和暗物质粒子才是更优先的事情。

RHIC也用质子对撞进行研究，且不需要LHC那样大的能量，其中一项研究就是质子自旋的研究，理论上质子自旋是夸克自旋之和，但是相关研究还没有得到什么突破。