粒子加速器：選擇什么粒子進(jìn)行碰撞

如果我們想要弄清楚宇宙的終極規(guī)則，第一件事就是弄清楚可以使用何種工具。對大部分粒子物理學(xué)家來說，他們通常選擇使用粒子加速器。使用粒子加速器有很多考慮因素，例如我們之前文章講過的，是考慮將兩束粒子對撞在一起還是讓一束粒子撞擊固定靶？我們更關(guān)心碰撞能量還是碰撞次數(shù)？這些都是很重要的問題。

但還有另一個問題是，即使我們決定要將兩束粒子對撞在一起，我們要使用什么粒子來制造這個粒子束？我們有很多選擇，例如可以使兩束電子或兩束質(zhì)子發(fā)生碰撞，也可以將電子束與反電子束碰撞，甚至可以將裸原子核碰撞在一起。這些選擇中的每一個都是有意義的，具體取決于我們想要研究的主題。

碰撞兩束電子只有在最特殊的情況下才會發(fā)生，所以我們可以忽略這種可能性。電子是一種點狀粒子，內(nèi)部沒有任何結(jié)構(gòu)、成分，這意味著當(dāng)你向電子提供能量時，你就確切地知道電子所具有的能量。

相比之下，質(zhì)子則是一頭混亂的野獸。在最簡單的模型中，質(zhì)子包含三個夸克，但實際情況要復(fù)雜得多。質(zhì)子不僅攜帶三個夸克，還含有膠子，膠子可以短暫地轉(zhuǎn)化為夸克和反夸克對。質(zhì)子的成分不斷變化，夸克和反夸克被創(chuàng)造和湮滅，膠子被發(fā)射和吸收。這就是質(zhì)子的悲慘事實，他們不斷地改變自己的內(nèi)心。

在非常高能量的碰撞中，當(dāng)兩個質(zhì)子碰撞時，碰撞不會發(fā)生在質(zhì)子本身之間，而是發(fā)生在質(zhì)子的組成部分之間?；旧?，一個質(zhì)子的夸克、反夸克或膠子會撞擊另一個質(zhì)子的夸克、反夸克或膠子。但由于質(zhì)子的成分不斷變化，你無法提前知道任何特定的碰撞會帶來什么。此外，由于成分可以來回交換能量，因此永遠(yuǎn)無法提前知道碰撞中涉及的能量。這一切聽起來可能有點令人困惑，所以讓我們用一些數(shù)字來更清晰地展現(xiàn)。假設(shè)我們正面碰撞多個質(zhì)子對，并且每個質(zhì)子正好有100 個單位的能量，那么我們會期待出現(xiàn)什么樣的碰撞？可能是一個具有3個單位能量的膠子與一個具有40個單位能量的夸克之間的碰撞，這次碰撞的總能量為 43 個單位。還有可能是一個具有22個能量單位的夸克與另一個具有16個能量單位的夸克碰撞，總能量為38個單位。碰撞還可能發(fā)生在兩個膠子之間，一個具有17個單位的能量，另一個具有21個單位的能量，這也是38個單位的能量。

每次碰撞都涉及隨機選擇的一對亞原子粒子，并且具有隨機選擇的能量的粒子。每次碰撞都是獨一無二的，我們無法提前知道具體的碰撞是什么粒子。如果我們將其與大型強子對撞機等現(xiàn)代粒子加速器的碰撞率（每秒約十億次碰撞）結(jié)合起來，那就更加混亂了。

而電子/正電子對撞機，如果電子和正電子都有100單位的能量，那么不管碰撞多少次，它們的碰撞能量都為200單位。所以物理學(xué)家將電子/正電子對撞機稱為精準(zhǔn)手術(shù)刀，而質(zhì)子/質(zhì)子對撞機相當(dāng)于碰撞兩個垃圾桶。

那么為什么我們還要制造質(zhì)子對撞機呢？有兩個原因。首先，質(zhì)子/質(zhì)子對撞機中復(fù)雜的碰撞組合不僅是一種麻煩，也是一種希望。通過碰撞質(zhì)子，我們可以探索各種能量的碰撞，也可以查看各種粒子組合的碰撞。質(zhì)子/質(zhì)子對撞機可以讓我們或多或少地免費探索許多配置。

其次，相比之下，電子/正電子對撞機只做一件事，而且做得很好。另一方面，它也有局限性，如果你有一個能以200單位能量提供電子/正電子碰撞的加速器，你就完全錯過了在149單位能量下發(fā)生的一些很酷的物理現(xiàn)象。因此，質(zhì)子對撞機通常被認(rèn)為是發(fā)現(xiàn)機器，而電子-正電子機器則用于精確測量。