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国际粒子加速器的前沿


□ 张 闯

  摘 要人类对于微观世界探索是粒子加速器发展的驱动力.粒子加速器从20世纪30年代问世以来,不断向更高能量和更好性能挺进.随着研究的深入,粒子加速器一步步从低能发展到高能,从弱聚焦发展到强聚焦,从打静止靶发展到粒子束对撞.更高的能量和更高的亮度是用于高能物理研究的加速器发展的两大前沿.作为多学科研究的平台,同步辐射光源、自由电子激光和散裂中子源等基于加速器的大科学装置也在蓬勃发展.各种低能加速器广泛地应用于国民经济的各个领域.新方法、新技术、新原理层出不穷.文章将讨论国际粒子加速器的前沿.
  关键词粒子加速器,能量,亮度,多学科平台,应用,新加速原理
  
  Frontiers of particle accelerators in the world
  ZHANG Chuang
  (Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
  AbstractHuman research on the microcosm is the motive force behind the development of particle
  accelerators, which have been advancing towards higher luminosity and better performance. Along with deeper progress in research, accelerators have moved step by step from low to high energy, from weak to strong focusing and from fixed target to beam collision. Higher energy and higher luminosity are two frontiers of accelerators for particle physics. As multidiscipline platforms, synchrotron radiation facilities, free electron lasers and spallation neutron sources have been developing rapidly. A variety of low\|energy accelerators have been applied throughout a wide range of the economy. New methods, new technologies and new principles have emerged in an endless stream. The international frontiers of particle accelerators are described in this paper.
  Keywordsparticle accelerators, energy, luminosity, multidiscipline platform, application, new principle for particle acceleration
  
  1 粒子加速器和物质微观结构研究
  
  在20世纪物理学的舞台上,粒子加速器扮演了重要角色.在粒子加速器问世之前,人们用于研究原子核结构的粒子束有两种,一种是天然放射性核素发出的射线,另一种则是来自天外的高能宇宙射线.前者固然简单方便,但放射线粒子的流强太低,能量不高,因而产生核反应的几率很小.宇宙射线粒子的能量可高达1021eV,但其强度太弱,适宜于做定性的研究.就这样,粒子加速器作为一种利用电磁场将带电粒子加速到高能量的人工装置,在上世纪30年代初由于核物理研究之需要应运而生.
  加速器作为“显微镜”研究物质微观结构,其分辨能力λ(德布罗意波长)与产生束流的能量E相关:
  λ=hp=hcEβ,
  式中p为粒子动量,β为相对论速度,h = 4.14×10-24 GeV·s为普朗克常数.从这个式子里,我们可以看出,用于探测物质结构的“探针”束流的能量愈高,其研究的分辨率也就愈高.因此,要探索更深层次的微观世界,研究更微小的粒子,就需要更高能量的加速器.这就出现了一个有趣的现象:研究的对象愈微小,需要的设备愈庞大.研究不同尺度的微小对象所需要的“探针”束流的能量和相应的观测工具列于表1中.
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