能量是描述粒子对撞机的最重要的物理量，根据爱因斯坦的质能关系：

能量就是质量，能量就是粒子，能量越高意味着有各种幺蛾子可能从里面飞出来。

在原子物理中，能量的单位一般用“电子伏”，在粒子物理中，能量的单位一般用“兆电子伏”，因为把原子核敲裂比把原子中的电子从原子核附近剥离出来要难得多。

1电子伏就是把一个电子顺着电场力的方向移动一伏特所获得的能量。

最早的加速器，就是真空管（老式电视机里的显像管），电子从阴极射出后经过一个加速电场加速获得能量。这样获得的能量比我们想象的要高，可以达到万电子伏（作为比较干电池只有1.5伏，我们平时用的交流电是220伏）。

这里需要先复习一下科学记数法，因为很快这个能量会像断了线的风筝一样飞速增长。

主要基本粒子及其静能量：

早期的加速器和老式电视机中都使用了考克拉夫特-沃尔顿型电压发生器（Cockcroft–Walton generator，一种级联发生器），其原理如下：

上图中Vi是输入的交流电（比如+-100伏的方波），在经过一系列电容和二极管后，最终将在Vo输出200V的直流电，假如增加这个级联构造的级数的话，电压还会继续倍增。很容易把电压加到万电子伏（老式电视机显像管中的电压）。

考克拉夫特（John Cockcroft, 1879-1967）和沃尔顿（Ernest Walton, 1903-1995）用这个原理建造了第一台用于核物理实验的加速器，他们用质子轰击锂核，导致锂核分裂，最终得到了两个α粒子。

他们是这样来确认如上反应发生的：

两个人分别观察一个屏幕，如果有一个α粒子射出的话，屏幕就会发亮，如果他们看见了这样的闪光，他们就敲击一个键。两个时间一致的键击就证明了锂核的分裂。

考克拉夫特和沃尔顿因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。考克拉夫特-沃尔顿型电压发生器迄今还用作接在大型质子加速器离子室后面的初始加速器。

德国威廉皇帝学会的3兆电子伏“考克拉夫特-沃尔顿电压发生器”是30年代最强大的CW电压发生器

早期加速器，除使用考克拉夫特-沃尔顿电压发生器外，还使用范德格拉夫电压发生器（van der Graaf generator）。范德格拉夫电压发生器利用摩擦起电的方式在一个中空金属球上积聚电荷，从而产生高电压，为了增加电压，也常常把两个范德格拉夫电压发生器“纵列”串联起来，一个积聚正电荷，另一个积聚负电荷。利用范德格拉夫电压发生器制造的加速器是回旋加速器出现前最强大的加速器。美国布鲁克海文国家实验室中使用的“纵列范德格拉夫电压发生器”达到了30兆电子伏。

范德格拉夫电压发生器常用于科学教育

如果要敲碎更多原子核，就需要能量越来越大的加速器。

考克拉夫特-沃尔顿电压发生器和范德格拉夫电压发生器会产生很强的电场，电场过强会导致“击穿”。这意味着很难继续增加被加速粒子的能量。自然的思路就是用不太强的电场反复加速粒子，比如是否可以用交流电反复加速粒子？

早在1920年代就有人提出了利用交流电反复加速粒子的构想，按照这种构想，粒子会越飞越快，相应加速的距离也会越来越长，加速器的尺寸会很快变得很长很长，从工程的角度不现实。

劳伦斯想到了可以给带电粒子施加磁场，使粒子在磁场中转起来，这样直线加速器就变成了“回旋加速器”（Cyclotron）。

回旋加速器的好处是，当带电粒子运动速度不快（不考虑狭义相对论修正，也不考虑带电粒子在“转圈”过程中会损失能量）时粒子在磁场中“回旋”一周所有的时间是相同的，不依赖于粒子的速度，也不依赖于粒子“转圈”的半径。

带电粒子所受洛伦兹力：

这里q是粒子的电荷，v是粒子的速度，B是外加磁场。

粒子做圆周运动，洛伦兹力等于离心力：

这里m是粒子的质量，R是粒子转圈的半径。

可求出粒子的速度：

粒子回转一圈的时间是：

回旋加速器被誉为加速器历史上唯一重要的发明。

我们可以把回旋加速器的半径表示为：

这里E是粒子的动能，要使加速器做的比较小，不占地方，我们必须使用大磁铁，获得较大的B。

1930年春，劳伦斯和他的学生Nels Edlefson做了两个结构简陋的回旋加速器，直径4英寸（10cm）大小，造价只有25美元，其中一个显示了能工作的迹象。

当原理被验证后，后续的加速器很快就变得越来越大。

- 1931年，1月2日，劳伦斯和他的学生李文斯顿用一个4.5英寸（12cm）的加速器产生了8万电子伏特的质子。

- 1932年，劳伦斯又做了9英寸和11英寸的机器，可把质子加速到1.25MeV。正好此时，传来了考克拉夫特和沃尔顿把锂原子核打碎的消息，劳伦斯紧张工作，不久就用11英寸的机器重复了考克拉夫特和沃尔顿的实验结果。

- 1932年，劳伦斯和李文斯顿开始设计27英寸（69cm）的机器，劳伦斯利用了联邦电报公司闲置的75吨电磁铁芯，自己动手配置磁极和线圈，仅“励磁线圈”就耗去铜线8吨。

- 1936年，在劳伦斯的主持下，27英寸的加速器升级为37英寸，粒子能量达到6MeV。

- 1939年5月，60英寸（1.52m）的回旋加速器。

- 1946，最大的单磁铁回旋加速器，直径4.67米（184英寸），可把质子加速到730MeV。

劳伦斯（右）和奥本海默（左），背景是184英寸加速器

随着粒子的能量继续升高，粒子转一圈的时间开始不同了，此时必须考虑狭义相对论效应，同时还要使用多块强大的磁铁，使用磁场来完成对粒子束的“同步”和“聚焦”。这种加速器就是同步加速器（Synchrotron）。（同步加速器中磁场强度随被加速粒子能量的增加而增加，从而保持粒子回旋频率与高频加速电场同步。）

- 1952，Cosmotron（宇宙射线级加速器），布鲁克海文国家实验室，可把质子加速到3.3GeV。

- 1954，Bevatron，劳伦斯伯克利国家实验室，6.2GeV，发现反质子。

- 1957，俄罗斯，杜布纳制成了7GeV的机器。

- 1959，质子同步加速器（PS，Proton Synchrotron），CERN（欧洲核子中心），28GeV。

- 1960，交变梯度同步加速器（AGS，Alternating Gradient Synchrotron），布鲁克海文国家实验室，33GeV。

AGS和PS的直径达到大约200米。

- 1981-1984，超级质子同步回旋加速器（SPS，Super Proton Synchrotron），CERN，周长6.7公里，450GeV。

- 1986-2011，Tevatron，费米国家实验室，周长6.86公里，第一个使用超导磁铁的加速器，980GeV（即接近1TeV），1995年发现顶夸克（t）。

- 1993年被取消的超导超级对撞机，20TeV。

- 2009-今，大型强子对撞机（LHC），CERN，周长27公里，6.5TeV（设计7TeV），发现希格斯玻色子。

加速器能量-时间的log图，可以发现LHC是目前能量最高的，同时它也开始偏离能量-时间的log曲线

由于轻粒子会在回旋加速器中损失更多能量，所以有些大型电子对撞机也使用直线加速。著名的有斯坦福直线对撞机（SLAC）。斯坦福直线对撞机可能是有史以来最成功的对撞机，在它上面发现了上夸克（u），下夸克（d），奇夸克（s），粲夸克（c），τ子等；

斯坦福直线加速器鸟瞰，长度有3.2公里

目前计划中的大型对撞机有：国际线性对撞机（ILC），中国的超级对撞机（CEPC-SPPC），和欧洲的未来环形对撞机（FCC）。

参考阅读：Veltman, 《神奇的粒子世界·中文版》