大型对撞机到底是什么呢？

据说著名物理学家杨振宁最近发表了一段谈话，重申了他对我国计划建造的大型环形正负电子对撞机（CEPC）的反对立场。这一表态再次引发了网络上关于中国是否应该建造CEPC的热议。实事求是地说，是否建造CEPC并非我们这些普通民众所能决定，国家高层会从我国科学发展的战略高度出发进行考量。但无论您是支持者还是反对者，在表达您的观点之前，您是否已经对大型对撞机有了基本的了解呢？它是如何工作的？它撞击的是什么？它又能带来什么成果？只有明确了这些问题，我们的支持或反对才会有根据，这是我个人的看法。下面，让我们来简要探讨一下这些问题。

首先，什么是大型对撞机？人类历史上，从400年前开始，人们不会相信宇宙中的所有物质是由原子构成的。从300多年前起，人们逐步提出了分子论、原子论，出现了元素周期表，再到上个世纪，人们发现了原子核、质子、中子和夸克。每一次从宏观到微观的认知飞跃，都极大地推动了人类社会科技的发展。然而，当探索到微观层面时，肉眼无法看到，普通显微镜也不再有效，我们需要使用电子显微镜。如果想要探究物质的核心，就需要进入量子力学的领域。量子力学告诉我们，粒子具有波粒二象性，波函数描述了粒子出现在任意位置的概率。此外，量子力学还指出，波长越短，所需的能量就越高（E=hv），因此，要探测物质的基本核心，就需要有能够将粒子加速到极高能量的探测器，即粒子加速器，通过粒子间的碰撞来发现更小的结构。粒子加速器只是大型对撞机的一部分，撞击后还需要利用探测器来“观察”，通过谱仪接收到的信号来分析粒子的内部结构，这实际上是一个数据处理的过程。所谓大型对撞机，是指它能达到的最高能量标准，目前世界上能称得上“大型”的并不多，一般能标都在90GeV（吉电子伏特）以上，例如：费米实验室的Tevatron对撞机、斯坦福直线加速器SLC、欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机（LEP1代/LEP2代）和大型强子对撞机LHC。高能量标意味着加速器和对撞机体积庞大，这也是“大型”一词的另一个含义。

其次，对撞机是如何进行撞击的？早期的对撞实验采用“固定靶实验”方式，即电子束被直接发射到固定目标靶上，这种方式简单但能标有限。而现在的高能标对撞机则不同，它们使用两束粒子流进行对撞，将两束粒子流加速到接近光速，让它们在极小区域内相撞，以实现高能标的对撞，这样更有可能发现新粒子。

再次，对撞机使用什么进行撞击？选择何种粒子进行对撞对对撞机的类型、最高能标、亮度等主要性能有重大影响。科学家们倾向于使用在地球上容易获得的稳定粒子，而质子和电子就是理想的选择，因为它们既常见又易于获得。选择电子的好处在于它是最基本的粒子，没有更小的结构，可以实现完全的碰撞，但由于它的不可分割性，电子-电子对撞可能不会产生太多新发现。相比之下，质子由三个被强核力束缚的夸克组成，质子-质子对撞有助于研究胶子及夸克的性质，并可能产生其他重粒子。此外，科学家们还发现粒子与反粒子对撞具有更多优势，因为磁场可以将粒子和反粒子导向不同方向，它们碰撞即湮灭，可能产生新的粒子-反粒子对。因此，电子-正电子对撞、质子-反质子对撞成为新的研究方向。在上述提到的大型对撞机项目中，SLC是正负电子对撞机；Tevatron是质子-反质子对撞机；LEP1代/LEP2代都是正负电子对撞机，而LHC是质子-质子对撞机。

最后，为什么物理学家热衷于建造大型对撞机？目前的粒子物理标准模型看似完整，实则存在诸多问题。例如，2024年发现的希格斯粒子赋予了其他粒子质量，但其自身质量的来源却是个谜。杨-米尔斯场似乎过于复杂，许多物理学家认为它并不优美。还有中微子谜题、反物质谜题、暗物质和暗能量谜题，标准模型无法给出清晰、正确的解释，这表明标准模型并非完整，也说明高能物理研究远未达到终点，因此需要更强大的对撞机。