电子比质子轻，为什么加速器要用质子而不是电子？

电子比质子轻，为啥对撞机还要用质子？未来如何提高加速器的对撞能量？确实电子比质子轻了好多，在同样受力的情况下，电子更容易加速，那么为啥现在人类创造的能量记录都是质子呢？我们先从对撞机的工作原理说起。

对撞机的工作原理

大型强子对撞机是人类历史上能量最大的粒子加速器，碰撞能量高达14 TeV。对撞机的工作过程是这样的，将高能质子从两个方向注入地下半径4.3千米、周长26千米的真空圆环内。在圆环内部，强大的电磁铁通过液氦冷却到比绝对零度只高几度的温度，这样电磁铁就能实现超导性，提供更强的磁场并且对质子做以下两件事：

当质子经过时，提供一个加速电场，使质子在行进方向上移动得更快将质子的飞行路径弯曲成一个圆形，质子每加速一次就会调整一次电磁铁的强度，以提供合适的磁场，防止质子撞到环形轨道。

以前碰撞能量的纪录保持者是美国的费米实验，当时的轨道周长只有6.3千米，或者说半径只有1千米。费米实验室当时使用的电磁铁技术稍微老旧一些，因此在其20世纪90年代的全盛时期获得的最大能量也只有1.96 TeV，质子和反质子束的碰撞能量分别为0.98 TeV。

那么为什么这些环形加速器要使用质子和反质子碰撞代替电子和正电子来进行实验。毕竟，质子是由夸克和胶子组成的复合粒子，而电子是单一的基本粒子，不仅能产生更清晰的信号，更容易被探测到，而且还能为新粒子的形成提供全部的动能，但质子的大部分动能通常都进入非碰撞粒子的成分。

为什么要使用质子而不是电子？

我们都知道带电粒子在磁场中运动会发出电磁辐射，而电磁辐射会带走一部分能量，我们也将这种电磁辐射称为同步辐射。从理论上讲，粒子的速度与粒子的质量相比非常小，所以一般情况下同步加速辐射可以忽略不计。但是一个电子比一个质子轻了1836倍，并且有相同的电荷，同步辐射的大小取决于粒子电荷质量比的四次方。知道（1836）4意味着什么吗？

这个数字非常大！大约是10^13或者10000,000,000,000。这足以严重限制一个电子在加速器圆环里的动能，这就是为什么环形加速器的能量记录会变成质子和反质子。

简单地说，在加速器的粒子碰撞中，我们也不确定能产生什么样的新粒子，但是碰撞粒子携带的能量越大就越有可能产生新的粒子。如果一个顶夸克的质量是175gev（以自然单位计算），那么碰撞粒子至少需要175gev才能创造出一个新的顶夸克粒子。

理论上，大型强子对撞机可以制造出能量高达14 TeV的粒子；但是在实践中，大型强子对撞机创造出了可探测能量高达600- 1000 GeV或0.6-1.0 TeV的粒子。如果在某些能量区间内根本就没有新粒子，那肯定就不会有粒子产生。

如果我们想要发现更多新粒子，唯一的办法就是不断地提高粒子碰撞的能量，因此下一步计划是建立ILC，或国际直线对撞机。直线对撞机是电子/正电子的用武之地，因为如果不需要把粒子弯成一个环，就不用担心同步辐射的问题。首期目标是分别将正负电子加速到2500亿电子伏特的能量，质心系能量达到5000亿电子伏特，ILC在未来将超越大型强子对撞机。但是直线加速毕竟是有距离限制的，并不能满足我们对最高能量的要求。

那么未来我们还能否制造出更加强大的质子加速器？

如果我们想达到最大能量，还是需要将质子在圆环上加速，在加速器中有两个因素决定了质子束的能量：循环弯曲磁场的强度（由偶极磁铁的强度决定），在费米实验室达到4.5特斯拉，在大型强子对撞机达到8.3特斯拉，以及加速器圆环的半径。

因此，我们的电磁铁技术需要不断改进。这个受到了技术的限制，但是我们可以控制加速器圆环的大小。也就是说加速器建得越大，质子的速度就越快。

粒子物理学界的终极梦想机器被称为Fermitron，它是一种加速器，要么绕地球一周，要么在围绕地球的稳定轨道上运行。这显然是一个庞大的耗费人力物力的工程、需要持续的投资和国际合作。但是地球的平均半径是6371千米，大约是大型强子对撞机半径的1500倍。

这意味着，即使使用当今的磁铁技术（LHC使用的磁铁），我们也可以达到20.7 PeV或20700 TeV的能量！如果我们改进现有的电磁铁技术，加速器能量只会更高。

如果你担心这么高的能量对地球有危害，或者担心地球是一个地震活跃的星期，那么我们只需要在地球附近找一块地质稳定的岩石，然后在上面建一个环形加速器。你想到了那颗星球？对！没错，就是月球！

月球的赤道半径为1738公里，是建造粒子加速器的好地方！我们要知道任何质子-质子（或质子-反质子)）加速器的能量公式都很简单：用加速器圆环半径（km）乘以磁场强度，然后整体乘以0.4，我们就得到了一个加速器在TeV中的最大能量。如果我们在半径为1光年的范围建造一个加速器，就可以直接测试暴涨理论和大统一理论了！甚至能看到早期的宇宙发生了什么！