[科普中国]-光子对撞机

简介

在过去的十几年间，世界上几个主要实验室在正负电子(e+e-)对撞机上，用能量从几百GeV到几个Tev的高能电子对按进行基础物理研究，如美目的NLC(下一代直线对撞机)，日本的JLC(日本直线对撞机)，德国的TESLA超导直线加速)在法国有欧洲核子研究委员会的CLIC，我国的BEPC(北京正负电子对撞机)。在BEPC上．取得了 子质量测量，粲粒子物理。在正负电子直线对撞机上配备高能激光可以组成光于对撞机，除了进行e+e-物理研究外．还为光子()对撞以及光子—电子()对撞提供了难得的机会2。

基本方案光子对撞机()和光子—电子()对撞所需要的高能光子，可以用激光在高能电子束的康普顿后向散射得到。光子对撞机的基本方案如图3所示。能量为的两电子束，在末级聚焦系统后，向相互作用点(IP)传输，在距向相互作用点约0.1~0.15cm的b处与聚焦的激光束对撞。散射后，光子具有接近初始电子的能量，并沿着它们的方向到向相互作用点，带有约量级的附加角度展开，其中 ，，在相互作用点能量相近而方向相反的高能光子或电子对撞。利用激光瞬间几焦耳的能量，可以将几乎全部电子能量转换到高能光子。在相互作用点，光子斑点尺寸几乎等于电子在该点的尺寸，因此，，对撞的亮度将有与束几何亮度相同的量级。为避免来自干扰的后向散射，使用蟹爪交叉形式，如图3(b)所示2。

散射光子的极大值能量为

其中，是电子束能量， 是激光光子能量， 是电子束和激光束之间的角度（见图3（a））。

为增加x的值，高能光子谱变得更尖锐。但是，在x>4.8时，由于激光光子在对撞中产生，所以高能光子消失。最佳激光波长为：

所以对对撞，最大值能量是：

而在对撞时，

光子对撞机的关键问题是高能激光系统。以二级管抽运的高平均功率固体激光系统，通过6次循环的光学储存环，可以提供波长1.06um，脉冲能量5J，重复率约为14kHz，脉冲间隔与电子束脉冲结构匹配的高功率激光。

物理意义一般说来，正负电子(e+e-)对撞机和光子()对摆机都是产生各种新粒子的设备，研究内容十分类似。光子对撞的典型相互作用截面比正负电子对撞截面高一个数量级，因此在对撞中的事件数目要比e+e-对撞中的多，而且对撞还能提供更多新的信息。

寻找希格斯玻色子(Higgsboson)当前粒子物理学以标准模型(SM)为基础。标准模型假设存在一种奇特的粒子，称为希格斯玻色子。认为它是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础。根据该理论假设，其他粒子都浸没在希格斯玻色子中，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。粒子物理学的标准模型预言了62种基本粒子，几乎都核实验证实了，希格斯玻色子是员后一种尚未被发现的基个粒子。希格斯玻色子仅能以瞬态存在，因此观测难度极大。为了捕捉该粒子，通常让高能粒子相互碰撞。如果碰撞过程中产生足够高的能量，这些能量有可能转化为物质，由此形成的希格须玻色于往往很快就衰变为其他一些粒子，衰变后的粒子有特定的组成，据此可间接证明希格斯玻色子的存在。现有的实验信息认为，希格斯玻色子的质量要高于112GeV(LEP200)，低于200GeV。按标准模型最简单的描述，希格斯玻色子由5种物理状态组成：.。所有这些粒子都可用光子()对撞机研究。某些特性可测量的比e+e-对撞情况还好。

此外，在几个中性希格斯玻色子模型中，重的H。和A。玻色子有几乎相等的质量，并且在e+e-对撞中可以在很宽的参量范围，只以联合方式产生，而在光子对撞中它们可能以足够高的截面单个地产生。相应的在光子对撞中可能以1.5倍的较高质量产生希格斯波色子2。

电荷对的产生第二个例子是电荷对的产生。带电的希格斯玻色子或超对称粒子，可能是W+W-对或t+t-对．或某种新的粒子对。在光子对撞中产生带电标量对、轻粒子对、W+W-对的截面，比对撞中的高大约5-20倍。对于标量粒子，在对撞中的截面示于图2。对近阈值大质量的偏振光子，对撞截面比对撞中的高20倍。此外，在光子对撞中近阈值截面非常尖锐，正比于(而对撞中它是常数)，对于测量质量这是有用的2。

在对撞中，产生两个带电粒子对既经过带有虚，Z的湮灭图，也经过产生某种新粒子的变化图，而在光子对撞中，它是纯量子电动力学过程，允许单值地测量产生的粒子电荷。在研究相同粒子不同碰撞类型中，这是很好的补充信息。

易得质量在光子—电子()对撞中，可能产生比对撞中质量高的带电粒子(一个重带电粒子加一个轻中性粒子)，例如超对称带电粒子加中微子或新的玻色子和中微子。在光子对撞中由于单共振产生的粒子(例如中性希格斯玻色子)具有较高的易得质量2。

寻找异常相互作用精确测量截面允许观测异常相互作用的影响。过程具有大截面(约80pb)，并且是寻找新物理(如果没有直接发现新粒子)最灵敏的过程之一。研究顶点优于对撞情况，因为后一情况裁面很小，且这个顶点仅对总截面给出10%的贡献。对截面研究，两种因素一起给出大约40倍的差别。此外，在碰撞中也可以研究顶点2。

超维度的量子重力效应这个新理论可以解释为什么重力与电弱力相比如此之弱。它假设重力常数等于电弱力常数，但它处在超维度空间中，这种极端理论可以在光子对撞机上验证，并且可得到比在 ee对撞中可达到的质量标尺高2倍。在这些过程中还可以发现许多其他例子2。