用加速器研究粒子的两种方法：固定目标还是对撞模式
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进行粒子物理研究的方法有很多，但最常见的方法是将粒子加速到非常高的能量。但接下来的问题是如何处理它们？一般情况下，我们有两种选择：可以将这一束高速粒子撞击到一个固定目标上，或者我们可以制造两个反向运动的粒子束并让它们正面碰撞。 这两种不同的方法各有其用处，那么我们什么时候使用固定目标，什么时候使用对撞模式呢？这就需要我们知道这两种选择的优缺点。
科学家在设计实验时必须考虑两个重要参数：一个是粒子的能量，另一个是粒子的数量。为了简单起见，我们就将第一个重要参数称为能量，第二个重要参数称为光度。好的粒子加速器同时具有高能量与高光度，但有时我们要做出妥协，更侧重于其中一个。那么它们两个重要参数有什么好处呢？ 能量是最容易理解的，根据爱因斯坦的质能方程E=mc²，我们知道能量和质量是等效的。这意味着要制造更高质量的粒子，需要使用非常高的能量束。能量还有第二个原因。事实证明，如果你想看到某些东西，你需要使用比被检查物体波长更短的光。1924年，法国物理学家路易斯·德布罗意假设所有粒子都有波动，粒子的能量越高，波长越短。因此，更高能量的加速器可以让你看到更小的事物。现代粒子加速器的目标之一是看看夸克和轻子是否由更小的物体组成，这就是能量很重要的原因。 那么，我们如何理解光度的作用呢？要理解这一点，需要一点量子力学的规则。在量子力学中，那些被认为不可能的事件实际可能会发生，但是极其罕见。如果我们正在寻找这些稀有的东西并且碰撞单个粒子，那么很有可能我们是找不到它们的。但是，如果我们增加上万亿个粒子，我们就提高了发现罕见事件的机会。
我们已经知道了能量和光度是多么重要，那么固定目标和对撞模式对这两个重要参数有何偏好呢？我们直接给出答案：对撞模式会产生更大的能量，而固定目标会产生更多的碰撞。 大量的碰撞更容易被我们看到，所以我们先对光度进行讨论。在对撞机中，我们让一束粒子与另一束粒子对撞。现在一束粒子可能有10^11个粒子，也就是1000亿个，两束粒子就有2000亿个粒子，但能发生碰撞的只是其中一部分。 但如果你把一束粒子射进一个固定的目标，情况就大不一样了。一束粒子的数量是相同的，但目标是固体，这意味着它含有大量的粒子。我们举个例子，一立方厘米的水含有大约10^24个粒子。目标粒子如此之多，发生碰撞的可能性就会大大增加。 对撞机的能量优势有点难以看到，但我们可以想象一下一些车祸场景。首先是追尾的情况，两车碰撞的能量不会全部转化为材料的变形，有一部分能量被转移到前车的动能了。其次是辆车对撞的情况，如果它们的大小相同并且速度大小相同，它们就会完全停止，此时碰撞的所有的能量都会造成材料的变形。 同样的道理，我们回到大型强子对撞机的质子束。在一般情况下，质子将具有7万亿电子伏特的能量，如果两束质子束相互碰撞，可用于研究的能量将高达14万亿电子伏特。但如果我们只是将质子束与静止目标碰撞，有用的能量不会是7万亿电子伏特，而是只有大约0.114 万亿电子伏特。
它们的差异如此之大，所以为了获得更高的能量，显然对撞才是正确的出路。但为了获得更高的光度，它们必须以令人难以置信的精确度进行瞄准。放大到我们更熟悉的尺寸，它所需要的精确度就像你拿两根普通缝纫针，将它们分开十公里，然后射向彼此并在中间碰撞，这是非常困难的。相比之下，在固定目标中，更像是在墙上射飞镖。如果你实在射不准，建一个更大的墙就行了。 这就是固定目标和对撞模式之间的区别：固定目标更容易实现，并且可以产生大量碰撞。对撞模式实行起来要困难得多，但如果你想制造新的、未被发现的粒子，这就是你要选择的。 |
