加速器发展史：从原子粉碎机到LHC的演进

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加速器发展史

在建造粒子加速器时，信条一直是“更大、更快、更好”。
回顾一下“原子粉碎机”的历史以及它们带来的科学进步。
分裂原子的机器

建造加速器的主要动机出现在 20 世纪初，当时欧内斯特·卢瑟福 (Ernest Rutherford) 于 1919 年发现他可以通过用来自天然放射源的 α 粒子轰击氮原子来分裂它们。为了继续他的研究，他需要一种比天然放射源提供的能量更高、强度更高的“子弹”。在卢瑟福的鼓励下，1932 年考克罗夫特和沃尔顿使用 400 kV 发电机加速质子并将它们射到锂靶上，这导致了第一次完全由人控制的原子分裂。
使用直流电压的粒子加速，如 Cockroft-Walton 发电机和后来的 Van de Graaff 发电机，受到机器可以提供的最大电压的限制。为了克服这个限制，瑞典物理学家 Ising 提出了共振加速原理，其中通过一系列连接到射频发生器的漂移管重复施加相同的电压。这被认为是粒子加速器的真正诞生，事实上，当前这一代线性对撞机仍然依赖于相同的原理。Rolf Winderöe 于 1928 年在德国率先建造了这种加速器，以产生 50 keV 的钾离子。
从直线加速器到环形加速器

直线加速器 (linac) 的一个缺点是漂移管的长度必须随着速度的增加而增加，这使得机器相当大并且难以为高能量建造。
1929 年，欧内斯特劳伦斯提出了更紧凑的回旋加速器，它可以沿着磁场引导的螺旋路径加速粒子。劳伦斯与他的学生 M. Stanley Livingston 一起建造了第一个回旋加速器，它的直径只有 4 英寸，但可以将质子加速到 1.25 MeV。回旋加速器最终使产生能量比放射源高得多的粒子成为可能，并且在 1950 年代另一种技术出现之前，它一直是最强大的加速器类型。
同步加速器
随着粒子开始接近光速，由于相对论效应，它们变慢了，一些能量变为相对论质量，因此它们与回旋加速器的射频电场失去同步。这通过改变射频频率和机器来补偿，并被称为同步回旋加速器。后来，随着粒子速度的增加，引导磁场也逐渐增加，以便粒子在恒定轨道上移动。这就是同步加速器的诞生。

最后的进步是通过从固定目标加速器转移到存储环对撞机。由于可用于产生新粒子的能量是在碰撞的质心坐标系中给出的，因此正面碰撞粒子比向固定目标发射光束要高效得多。
大量新粒子产生
虽然在 1950 年代之前，新粒子主要是通过宇宙射线发现的，但同步加速器等强大的加速器预示着粒子物理学的“黄金时代”。这些新机器导致发现了许多亚原子粒子，如下表所列。
在更小尺度上研究原子的结构并能够产生更高质量的粒子，这推动了具有更高能量的加速器的发展。在同步加速器中，要达到更高的能量需要更大的半径或更强的磁场。因此，超导磁铁的使用以及在地下建造对撞机的可能性，在运行机器的实验室不拥有的财产之下，这使得大型对撞机如 LHC 的建造成为可能。

年份	粒子	加速器名称	加速器类型	地点
1955年	反质子	Bevatron	质子同步加速器	LBNL，美国
1962年	介子中微子	AGS	质子同步加速器	BNL, 美国
1974年	J/ψ 介子	SLAC	电子直线加速器	费米实验室 美国门洛帕克
1975年	tau轻子	SLAC	电子直线加速器	费米实验室 美国门洛帕克
1978/1979	胶子	DORIS/PETRA	电子同步加速器	德国德西
1983年	W, Z 玻色子	SPS	质子同步加速器	欧洲核子研究中心，瑞士
1995年	顶夸克	Tevatron	质子同步加速器	美国费米实验室
2000年	中微子	Tevatron	质子同步加速器	美国费米实验室
2012年	希格斯玻色子	大型强子对撞机	质子同步加速器	欧洲核子研究中心，瑞士

从卢瑟福的装置到今天的LHC，加速器变得越来越大、越来越贵、建造周期越来越长，需要越来越多的工作人员去操作。
今天，拥有 27 公里周长和 75 亿欧元预算的大型强子对撞机 (LHC) 仍然是有史以来最大和最昂贵的科学仪器，但它的物理计划正在慢慢结束。2027 年，它将进行最后一次重大升级，称为高亮度 LHC，预计将在 2038 年完成运营。但那些雄心壮志的家伙们仍然不满足于此，他们还将计划建造100公里的新一代对撞机，而新一代对撞机造价高达几百亿欧元。