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(duì)大部分粒子物理學(xué)家來(lái)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(duì)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(gè)問題是，即使我們決定要將兩束粒子對(duì)撞在一起，我們要使用什么粒子來(lái)制造這個(gè)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(gè)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(huì)發(fā)生，所以我們可以忽略這種可能性。電子是一種點(diǎn)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(shí)，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(jiǎn)單的模型中，質(zhì)子包含三個(gè)夸克，但實(shí)際情況要復(fù)雜得多。質(zhì)子不僅攜帶三個(gè)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(duì)。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(shí)，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(gè)質(zhì)子碰撞時(shí)，碰撞不會(huì)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?；旧希粋€(gè)質(zhì)子的夸克、反夸克或膠子會(huì)撞擊另一個(gè)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(wú)法提前知道任何特定的碰撞會(huì)帶來(lái)什么。此外，由于成分可以來(lái)回交換能量，因此永遠(yuǎn)無(wú)法提前知道碰撞中涉及的能量。這一切聽起來(lái)可能有點(diǎn)令人困惑，所以讓我們用一些數(shù)字來(lái)更清晰地展現(xiàn)。假設(shè)我們正面碰撞多個(gè)質(zhì)子對(duì)，并且每個(gè)質(zhì)子正好有100 個(gè)單位的能量，那么我們會(huì)期待出現(xiàn)什么樣的碰撞？可能是一個(gè)具有3個(gè)單位能量的膠子與一個(gè)具有40個(gè)單位能量的夸克之間的碰撞，這次碰撞的總能量為 43 個(gè)單位。還有可能是一個(gè)具有22個(gè)能量單位的夸克與另一個(gè)具有16個(gè)能量單位的夸克碰撞，總能量為38個(gè)單位。碰撞還可能發(fā)生在兩個(gè)膠子之間，一個(gè)具有17個(gè)單位的能量，另一個(gè)具有21個(gè)單位的能量，這也是38個(gè)單位的能量。

每次碰撞都涉及隨機(jī)選擇的一對(duì)亞原子粒子，并且具有隨機(jī)選擇的能量的粒子。每次碰撞都是獨(dú)一無(wú)二的，我們無(wú)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)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(lái)，那就更加混亂了。

而電子/正電子對(duì)撞機(jī)，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(duì)撞機(jī)稱為精準(zhǔn)手術(shù)刀，而質(zhì)子/質(zhì)子對(duì)撞機(jī)相當(dāng)于碰撞兩個(gè)垃圾桶。

那么為什么我們還要制造質(zhì)子對(duì)撞機(jī)呢？有兩個(gè)原因。首先，質(zhì)子/質(zhì)子對(duì)撞機(jī)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(duì)撞機(jī)可以讓我們或多或少地免費(fèi)探索許多配置。

其次，相比之下，電子/正電子對(duì)撞機(jī)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(gè)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(cuò)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(duì)撞機(jī)通常被認(rèn)為是發(fā)現(xiàn)機(jī)器，而電子-正電子機(jī)器則用于精確測(cè)量。