互动科普

建造粒子加速器有什么意义？简而言之，粒子加速器是人类认识微观世界必不可少的手段。人们常常借助光学显微镜来探测微观世界，可是受到所用光线波长的限制，因此所能观察到的微观世界非常有限。为了突破这个限制，就需要用更短波长的波束去照射被探测的物体。所以，人类需要不断建立能量更大的加速器来揭示更微观的世界。

20世纪中期以来，西方发达国家相继建成了世界几个先进的加速器实验室，在高能粒子物理研究方面取得了骄人的成绩。几十年来，一批物理学家利用这些高能加速器开展物理实验，在粒子研究方面获得了突破性进展，成就斐然，先后荣膺诺贝尔物理学奖。

美国斯坦福直线加速器中心

斯坦福直线加速器中心(SLAC)建于1962年，1966年投入运行，它位于美国加利福尼亚州门洛帕克的斯坦福大学校内，主要从事高能粒子物理、宇宙线和天体物理、同步辐射及其应用和加速器新技术的研究。1972年，斯坦福正负电子非对称环(SPEAR)建成，从而开始了一个粒子对撞的时代。1994年起，该中心对正负电子对撞机的储存环加以改进，使更多的正负电子发生对撞，1998年投入运行后，在2001年，BaBar实验宣布观测到宇称破缺——一种可能决定宇宙中物质多于反物质的现象。

1974年，伯顿·里克特(Burton Richter)领导的实验小组在SPEAR上开展物质与反物质的对撞研究，发现了“ψ”的粒子，因此里克特获得了1976年诺贝尔物理学奖。

该中心的科学家们还发现了质子中称为“夸克”的更小的新粒子，为此，物理学家杰罗姆·弗里德曼(Jerome Friedman)、亨利·肯德尔(Henry Kendall)和理查德·泰勒(Richard Taylor)荣获1990年诺贝尔物理学奖。

1975年，物理学家马丁·珀尔(Martin Perl)发现称为陶子的新粒子，该粒子产生于正负电子对撞之后，属于第三代轻子，因而他荣获1995年诺贝尔物理学奖。

美国布鲁克海文国家实验室

布鲁克海文国家实验室(BNL)，位于纽约长岛萨福尔克县中部，具有50年杰出的科学成就历史，拥有数台不同类型的粒子加速器，取得过多项令世界瞩目的重大科研成果。BNL 在1953年建成的第一台质子同步加速器Cosmotron，是世界上首台将粒子加速到1GeV级(GeV)的加速器，能量达到设计指标(3.3GeV)，为当时世界上能量最高的加速器。1960年建成的交变梯度同步加速器(AGS)，能量达到设计指标33GeV，1986年流强达到1012质子/脉冲，比设计指标高出1800倍。2002年，相对论重离子对撞机(RHIC)投入运行，其发生的亚原子对撞，可能会有助于我们了解各种物质世界运动的方式和原因。

1956年，华裔科学家李政道和杨振宁在BNL工作期间，在Cosmotron加速器上所做的粒子衰变实验中，发现宇称守恒破坏，荣获1957年诺贝尔物理学奖。

1963年，科学家詹姆斯·克罗宁(James Cronin)和瓦尔·菲奇(Val Fitch)开始在AGS上开展物理实验，结果发现CP破缺，荣获1980年诺贝尔物理奖。

1962年，科学家莱昂·莱德曼(Leon Lederman)、梅尔文·施瓦茨(Melvin Schwartz)和杰克·斯坦伯格(Jack Steinberger)发现μ子-中微子，获1988年诺贝尔物理学奖。

1974年，华裔科学家丁肇中利用AGS加速器开展物理实验，与在SLAC加速器上开展实验的里克特同时发现“J”粒子，因此被授予1976年诺贝尔物理学奖。

欧洲核子研究中心

欧洲核子研究中心(CERN)成立于1954年10月，它位于法国和瑞士交界处，是世界上最大的粒子物理研究中心。它建有世界上最大的正负电子对撞机——大型正负电子对撞机(LEP)和超级质子同步加速器(SPS)。该中心的大型正负电子对撞机可以将正负电子的能量提高到100GeV；超级质子同步加速器可以将粒子加速到接近光速，最大能量可达400GeV。2001年，欧洲核子研究中心决定建造实现7.7TeV能量的质子-质子对撞的大型强子对撞机(LHC)，预计投资40多亿美元(由美国、日本、俄罗斯、印度等国共同出资)，2007年建成后将寻找希格斯粒子，并开展模拟宇宙大爆炸的实验。

正是因为有了强劲的粒子加速器，才使卡罗·鲁比亚(Carlo Rubbia)和西蒙·范德梅尔(Simon van der Meer)有机会获得了1984年的诺贝尔物理学奖：在正反质子对撞实验中，他们证实了弱电理论中预言的传递弱相互作用的W粒子和Z粒子的存在。

美国费米国家实验室

费米国家实验室(Fermi Lab)原名国家加速器实验室。1968年12月，费米实验室的直线加速器破土动工；1969年10月，200GeV的质子加速器主环开工。费米实验室拥有质子-反质子对撞机Tevatron，其周长6.44千米，1983年开始运行时是世界上能量最高的粒子加速器。20世纪90年代，美国批准了Tevatron-Ⅱ计划，在原2千米隧道外新建一个能量为150GeV的常规磁铁环来作为新注入器，亮度提高10倍，2001年升级型Tevatron-Ⅱ建成。

1972年，第一个能量为200GeV的束流通过主环，产生了世界上最高能量的粒子。1983年，Tevatron产生了第一个能量为512GeV的束流；1984年，产生了第一个能量为800GeV的束流；1986年，产生了第一个能量为900GeV的束流,成为世界最高能量的质子-反质子对撞机。1994年,科学家们找到了顶夸克存在的直接证据；1995年在176GeV的能量上发现了顶夸克。2000年7月，DONUT组首次直接观测到τ中微子，填补了粒子标准模型中的最后一个空白。

德国电子同步加速器

1960年，德国电子同步加速器研究所开始建造第一台电子同步加速器(DESY)。1975年-1978年，建成2.3千米长的正负电子储存环PETRA，为当时世界上同类最大储存环。1984年-1990年，建造6.3千米长的地下强子电子环加速器(HERA)，它是世界上第一个和唯一的电子与质子发生对撞的储存环。HERA新的研究揭示：每个质子类似由强力场紧密组合在一起的许多夸克、反夸克和胶子的旋云。2000年-2001年，HERA进行了大量改进，旨在提高质子和电子的对撞率，将原有的设计亮度提高4倍～5倍，以便发现标准模型以外未有预料到的新的效应。国际合作组正在DESY研制和规划一个新的加速器工程：TeV能级超导直线加速器(TESLA)。

1979年，首次在PETRA发现“胶子”。“胶子”是强力载体粒子，它将所有物质的基本组成部分——夸克组合在一起，被认为是自然界中4个基本力之一。

日本高能加速器研究组织

1971年4月，日本国家高能物理研究所在日本东京都东北茨城县筑波成立，1997年改名为日本高能加速器研究组织(KEK)。在筑波园内，它建有一台开展BELLE实验的正负电子对撞机(KEKB)，以及一台开展K2K中微子震荡实验用的质子同步加速器(PS)。该组织的加速器实验室建造了KEK的所有加速器，负责其运行和改进，目前还与日本散裂中子源(J-PARC)项目组合作，在筑波园北部约30千米处的东海建造一套新的强流质子加速器(J-PARC)。该实验室还从事未来先进的直线加速器的研究与开发。