光子對撞機

實在的對撞機是一種把帶電粒子正負電子、質子與反質子、重離子等加速使之在其中對撞的加速器，相應地有正負電子對撞機、質子一質子對撞機、質子一反質子對撞機、電子一質子對撞機和重離子對撞機等。

光子和光子之間，當兩束光的強度愈來愈高時，它們將開始相互作用，或者說光和光發生散射。這是一種純粹的量子過程，是在經典麥克斯韋電磁場方程組中所沒有的。當增加這兩束光的能量，也就是提高光波的頻率，從紅外增加到紫光，從紫外到x光，以至Y射線。起初，量子動力學效應出現，產生了正負電子對；接著量子色動力學效應也出現了，產生了各種奇異的粒子。光子對撞機就是利用這種原理製成的一種能夠產生能量的裝置。

基本介紹

• 中文名：光子對撞機
• 外文名：Photon Collider
• 領域：核能、物理學
• 作用機理：高強度的光子與光子作用
• 裝置：加速器
• 效應：量子動力學效應

簡介

在過去的十幾年間，世界上幾個主要實驗室在正負電子(e⁺e^-)對撞機上，用能量從幾百GeV到幾個Tev的高能電子對按進行基礎物理研究，如美目的NLC(下一代直線對撞機)，日本的JLC(日本直線對撞機)，德國的TESLA超導直線加速)在法國有歐洲核子研究委員會的CLIC，我國的BEPC(北京正負電子對撞機)。在BEPC上．取得了 子質量測量，粲粒子物理。在正負電子直線對撞機上配備高能雷射可以組成光於對撞機，除了進行e⁺e^-物理研究外．還為光子()對撞以及光子—電子()對撞提供了難得的機會。

正負電子對撞機

基本方案

光子對撞機()和光子—電子()對撞所需要的高能光子，可以用雷射在高能電子束的康普頓後向散射得到。光子對撞機的基本方案如圖3所示。能量為的兩電子束，在末級聚焦系統後，向相互作用點(IP)傳輸，在距向相互作用點約0.1~0.15cm的b處與聚焦的雷射束對撞。散射後，光子具有接近初始電子的能量，並沿著它們的方向到向相互作用點，帶有約量級的附加角度展開，其中 ，，在相互作用點能量相近而方向相反的高能光子或電子對撞。利用雷射瞬間幾焦耳的能量，可以將幾乎全部電子能量轉換到高能光子。在相互作用點，光子斑點尺寸幾乎等於電子在該點的尺寸，因此，，對撞的亮度將有與束幾何亮度相同的量級。為避免來自干擾的後向散射，使用蟹爪交叉形式，如圖3(b)所示。

圖3

散射光子的極大值能量為

其中，是電子束能量， 是雷射光子能量， 是電子束和雷射束之間的角度（見圖3（a））。

為增加x的值，高能光子譜變得更尖銳。但是，在x>4.8時，由於雷射光子在對撞中產生，所以高能光子消失。最佳雷射波長為：

所以對對撞，最大值能量是：

而在對撞時，

光子對撞機的關鍵問題是高能雷射系統。以二級管抽運的高平均功率固體雷射系統，通過6次循環的光學儲存環，可以提供波長1.06um，脈衝能量5J，重複率約為14kHz，脈衝間隔與電子束脈衝結構匹配的高功率雷射。

物理意義

一般說來，正負電子(e⁺e^-)對撞機和光子()對擺機都是產生各種新粒子的設備，研究內容十分類似。光子對撞的典型相互作用截面比正負電子對撞截面高一個數量級，因此在對撞中的事件數目要比e⁺e^-對撞中的多，而且對撞還能提供更多新的信息。

尋找希格斯玻色子(Higgsboson)

當前粒子物理學以標準模型(SM)為基礎。標準模型假設存在一種奇特的粒子，稱為希格斯玻色子。認為它是物質的質量之源，是電子和夸克等形成質量的基礎。根據該理論假設，其他粒子都浸沒在希格斯玻色子中，受其作用而產生慣性，最終才有了質量。粒子物理學的標準模型預言了62種基本粒子，幾乎都核實驗證實了，希格斯玻色子是員後一種尚未被發現的基個粒子。希格斯玻色子僅能以瞬態存在，因此觀測難度極大。為了捕捉該粒子，通常讓高能粒子相互碰撞。如果碰撞過程中產生足夠高的能量，這些能量有可能轉化為物質，由此形成的希格須玻色於往往很快就衰變為其他一些粒子，衰變後的粒子有特定的組成，據此可間接證明希格斯玻色子的存在。現有的實驗信息認為，希格斯玻色子的質量要高於112GeV(LEP200)，低於200GeV。按標準模型最簡單的描述，希格斯玻色子由5種物理狀態組成：.。所有這些粒子都可用光子()對撞機研究。某些特性可測量的比e⁺e^-對撞情況還好。

希格斯玻色子

此外，在幾個中性希格斯玻色子模型中，重的H^。和A^。玻色子有幾乎相等的質量，並且在e⁺e^-對撞中可以在很寬的參量範圍，只以聯合方式產生，而在光子對撞中它們可能以足夠高的截面單個地產生。相應的在光子對撞中可能以1.5倍的較高質量產生希格斯波色子。

電荷對的產生

第二個例子是電荷對的產生。帶電的希格斯玻色子或超對稱粒子，可能是W⁺W^-對或t⁺t^-對．或某種新的粒子對。在光子對撞中產生帶電標量對、輕粒子對、W⁺W^-對的截面，比對撞中的高大約5-20倍。對於標量粒子，在對撞中的截面示於圖2。對近閾值大質量的偏振光子，對撞截面比對撞中的高20倍。此外，在光子對撞中近閾值截面非常尖銳，正比於(而對撞中它是常數)，對於測量質量這是有用的。

在對撞中，產生兩個帶電粒子對既經過帶有虛，Z的湮滅圖，也經過產生某種新粒子的變化圖，而在光子對撞中，它是純量子電動力學過程，允許單值地測量產生的粒子電荷。在研究相同粒子不同碰撞類型中，這是很好的補充信息。

易得質量

在光子—電子()對撞中，可能產生比對撞中質量高的帶電粒子(一個重帶電粒子加一個輕中性粒子)，例如超對稱帶電粒子加中微子或新的玻色子和中微子。在光子對撞中由於單共振產生的粒子(例如中性希格斯玻色子)具有較高的易得質量。

中微子

尋找異常相互作用

精確測量截面允許觀測異常相互作用的影響。過程具有大截面(約80pb)，並且是尋找新物理(如果沒有直接發現新粒子)最靈敏的過程之一。研究頂點優於對撞情況，因為後一情況裁面很小，且這個頂點僅對總截面給出10%的貢獻。對截面研究，兩種因素一起給出大約40倍的差別。此外，在碰撞中也可以研究頂點。

超維度的量子重力效應

這個新理論可以解釋為什麼重力與電弱力相比如此之弱。它假設重力常數等於電弱力常數，但它處在超維度空間中，這種極端理論可以在光子對撞機上驗證，並且可得到比在 ee對撞中可達到的質量標尺高2倍。在這些過程中還可以發現許多其他例子。