粒子对撞机的作用是什么？

粒子对撞机的作用是什么？

粒子对撞机，是一种将微观粒子加速对撞的高能物理专业装置。它可以帮助物理学家探索、发现和量化粒子。它最基本的作用是在高能加速器中积累并加速粒子流，达到一定强度及能量时使它们对撞，以产生实验预期的足够高的反应能量。

对撞机可以利用一种特殊电磁场将粒子加速到接近光速的极大速度，去轰击其他粒子，打碎本来难以分割的微小粒子，以研究其结构性质和击碎效应。粒子可达到的能量级400GeV，甚至更高。

作为基础学科的研究设施，对撞机在高能物理学领域应用广泛。今天我们来聊聊粒子对撞机在探索宇宙物质起源的天文物理中的作用。

20世纪下半叶，物理学家已经知晓了宇宙膨胀的观测结果和大爆炸理论，他们对宇宙起源时比原子更小的亚原子粒子怀有兴趣。如果大爆炸成立，那必须证明存在一种途径，使得一个点上发生的大爆炸能产生今天宇宙中所有的物质。

如果粒子对撞机能揭示物质的真实性质，就可以由此发现最基本的物质是怎样产生于大爆炸之中的。反之，如果实验显示大爆炸中不可能产生最基本的物质，那么大爆炸理论也就不能成立。

现代的粒子对撞机非常大。例如，设在瑞士的欧洲联合核子物理中心CERN（又名欧洲粒子物理实验室），它的大型强子对撞机（LHC，Large Hadron Collider ）是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器。它位于地下的隧道加速环的长度达17英里（约27公里），是由34个国家的大学及实验室合作兴建的。

粒子对撞机可以把数以百万计的粒子加速至光速的99.999%，粒子流每秒钟在周长27公里的加速环内狂飙11245圈。实验发现的粒子碰撞的过程径迹，是探索宇宙起源最前沿的粒子对撞奇观。重要的实验成果还有b介子、W+/-、Z。等粒子的发现。

科学家设想，只要粒子发生碎裂或衰变，就会伴随能量转变和释放，那么对撞机能够证明这一点吗？

首先，粒子对撞实验中，科学家精确地测量到了电子与原子碰撞中有多少能量释放出来。表明能量和质量在一定方式下可以相互转换，也测到了接近光速时的粒子所增加的质量。实验得到的结果，再次验证了爱因斯坦狭义相对论的准确性，即E=mc^2。质能可以相互转换。

其次，在大功率对撞机上科学家已经能短暂地达到当初大爆炸1秒钟之内的温度，此刻的碰撞所发生的事实是：在极高温下，碰撞后的粒子径迹出现了极短暂的滞后时差，即碰撞后先产生纯粹的能量，而后再在这些能量中才产生了粒子径迹。这就是物质最初产生的由来。这个实验得到的解释，与其他所有已知的大爆炸存在的证据都是一致的，也与宇宙起始于一次大爆炸的数学模型一致。大爆炸理论又一次获得实验证据的支持。

研究团队反复的粒子对撞实验结果均显示：在粒子对撞机中已经明白无误地观察并记录到，粒子可以变为能量，而能量也可以变为粒子。相对于所有的物质，能量更是最基本的。而大爆炸中产生的足够多的剩余粒子总量形成了如今宇宙的全部物质。

这就是粒子对撞机给我们的答案。从这个意义上说，宇宙并非“无中生有”，它来自既不可触摸又无形的能量。