储存环和对撞机

这是在同步加速器的基础上发展起来的一种超高能加速器。1956 年 D.W. 克斯特提出了通过高能粒子束之间的对头碰撞（简称对撞）来提高粒子束的有效作用能的建议，导致了高能对撞机的研制和发展。在高能粒子加速器应用于基本粒子物理学的很长一段时间里，人们总是用高能粒子去轰击静止靶，进行各种粒子物理学实验研究。如果我们改变一下作用方式，让两个相向运动的高能粒子发生对撞，情况会是怎样的呢？

物理学的原理告诉我们，假如让两个能量各为 E（＞m0c2）的相向运动的粒子发生对撞，其作用能大体上相当于一个能量为 2E2/m0c2 粒子去轰击静止靶。原理上的优越性早就为人们所了解，但是技术上的难题却妨碍了它的实际应用，因为一般粒子束的密度要比静止靶物质的密度小得多，对撞粒子的对撞几率太低。为了克服这一难题，60 年代以后发展了一种通过积聚大量粒子束团，从而大大地提高其束流密度的装置——储存环。

储存环的原理和结构和同步加速器相似。储存环内的粒子束由高能直线加速器或同步加速器注入，让几百个注入粒子束团积聚成一个或几个束团。注入的时间比较长，一般可达几十分钟。通过专门的高频电场的作用，储存环形真空室内积聚的束流强度可达 20 安，寿命可达十几小时。环形真空室的真空度很高，达到 10-10～10-11 乇（1 乇支持一个毫米汞柱）。高频电场还可以用于小幅度地提高储存环内粒子束的能量和补偿由于电磁辐射引起的能量损失。

用来使高能粒子发生对撞的高能加速器——对撞机，包括一个或几个储存环。电荷相反的高能粒子如电子和正电子，质子和反质子等，可以在同一个储存环中反向回旋而发生对撞。电荷相同的两种粒子束就需要有 2 个交叉着的储存环，每一个储存环储存着一种粒子，并且它们的回旋方向相反。在两个储存环的交叉处让两束方向相反的粒子束发生对撞。

迄今已经建成的对撞机中，绝大多数是电子对撞机。对撞机的优点是可以用造价不算太高的一般高能粒子加速器进行超高能的物理实验。但是它的缺点是只能实现稳定粒子之间的对撞，也不能像加速器那样产生各种次级粒子束。因此对撞机还不能完全替代超高能粒子加速器。

半个世纪以来，粒子加速器的发展取得了非常大的成就，已知的加速器种类超过了 20 种。另据统计资料表明，大约每隔 6～10 年，粒子加速器的能量就提高 10 倍。然而，随着加速器的能量不断提高，加速器的规模也越来越

大，造价也越来越高。图 3.6 是从空中拍摄的美国费米国家实验室于 1972 年建成的一台能量为 500GeV 的质子同步高能加速器的照片。加速器的圆形真空跑道管直径长达 2 千米，圆周长 6 千米，照片只照出跑道的一部分，足见其规模之大。