对撞机与固定靶实验

对撞机使两束粒子束迎面相撞以达到最大能量范围，而固定靶实验则将粒子束射向静止靶以获得高相互作用率。

Definition

对撞机是一种加速器，其中两束粒子束迎面相撞，使其几乎所有能量都可用于产生新粒子；而固定靶实验则将单个加速粒子束射向静止靶，大部分能量被产物带走。

Scope

本主题涵盖高能实验的两种主要配置：对撞机（其中反向旋转的粒子束相遇，使全部束流能量在质心系中可用）和固定靶装置（其中粒子束撞击静止靶）。它讨论了束流能量与质心能量之间的关系、光度的作用，以及使对撞机成为能量前沿首选工具、固定靶实验对速率受限研究有价值的权衡。

Core questions

• 为什么在相同束流能量下，对撞机比固定靶实验提供更多的可用能量？
• 尽管能量范围较低，但何时固定靶实验更受青睐？
• 光度如何决定研究稀有过程的速率？
• 实践中如何实现最高的质心能量？

Key concepts

• 质心能量
• 束流能量与可用能量
• 光度
• 储存环
• 相互作用点
• 对撞机与固定靶的权衡

Key theories

质心能量标度

对于对撞机，质心能量随束流能量线性增长；而对于固定靶，它仅以平方根形式增长，这使得对撞机在高能下效率更高。

光度与事件率

一个过程的速率等于其截面乘以光度，因此高光度对于观察稀有反应至关重要，这是现代对撞机的一个关键设计驱动因素。

Clinical relevance

大型强子对撞机等对撞机使得W、Z和希格斯玻色子等重粒子的发现成为可能，而固定靶实验对于稀有衰变、中微子束和核子结构的高统计量研究仍然很重要。

History

对撞机概念在20世纪60年代通过早期正负电子储存环得以实现，部分由Touschek开创，而质子-反质子对撞机则促成了1983年W和Z玻色子的发现。由Evans和Bryant描述的大型强子对撞机将质子-质子碰撞带到了多太电子伏特能量，而固定靶实验则继续提供互补的精确测量。

Key figures

• Bruno Touschek
• Carlo Rubbia
• Lyndon Evans

Seminal works

• evansbryant2008
• griffiths2008

Frequently asked questions

什么是质心能量？

质心能量是碰撞中可用于产生新粒子的总能量，在总动量为零的参考系中测量。它决定了可产生的粒子的最大质量。

固定靶实验是否已过时？

不。尽管对撞机在能量前沿占据主导地位，但固定靶实验提供非常高的相互作用率和致密靶，使其成为研究稀有衰变、产生中微子束和探测核子结构的理想选择。