電子比質子輕，為啥對撞機還要用質子？未來如何提高加速器的對撞能量？確實電子比質子輕了好多，在同樣受力的情況下，電子更容易加速，那麼為啥現在人類創造的能量記錄都是質子呢？我們先從對撞機的工作原理說起。
大型強子對撞機是人類歷史上能量最大的粒子加速器，碰撞能量高達14 TeV。對撞機的工作過程是這樣的，將高能質子從兩個方向注入地下半徑4.3千米、周長26千米的真空圓環內。在圓環內部，強大的電磁鐵透過液氦冷卻到比絕對零度只高几度的溫度，這樣電磁鐵就能實現超導性，提供更強的磁場並且對質子做以下兩件事：
當質子經過時，提供一個加速電場，使質子在行進方向上移動得更快
以前碰撞能量的記錄保持者是美國的費米實驗，當時的軌道周長只有6.3千米，或者說半徑只有1千米。費米實驗室當時使用的電磁鐵技術稍微老舊一些，因此在其20世紀90年代的全盛時期獲得的最大能量也只有1.96 TeV，質子和反質子束的碰撞能量分別為0.98 TeV。
那麼為什麼這些環形加速器要使用質子和反質子碰撞代替電子和正電子來進行實驗。畢竟，質子是由夸克和膠子組成的複合粒子，而電子是單一的基本粒子，不僅能產生更清晰的訊號，更容易被探測到，而且還能為新粒子的形成提供全部的動能，但質子的大部分動能通常都進入非碰撞粒子的成分。
我們都知道帶電粒子在磁場中運動會發出電磁輻射，而電磁輻射會帶走一部分能量，我們也將這種電磁輻射稱為同步輻射。從理論上講，粒子的速度與粒子的質量相比非常小，所以一般情況下同步加速輻射可以忽略不計。但是一個電子比一個質子輕了1836倍，並且有相同的電荷，同步輻射的大小取決於粒子電荷質量比的四次方。知道（1836）4意味著什麼嗎？
這個數字非常大！大約是10^13或者10000,000,000,000。這足以嚴重限制一個電子在加速器圓環裡的動能，這就是為什麼環形加速器的能量記錄會變成質子和反質子。
簡單地說，在加速器的粒子碰撞中，我們也不確定能產生什麼樣的新粒子，但是碰撞粒子攜帶的能量越大就越有可能產生新的粒子。如果一個頂夸克的質量是175gev（以自然單位計算），那麼碰撞粒子至少需要175gev才能創造出一個新的頂夸克粒子。
理論上，大型強子對撞機可以製造出能量高達14 TeV的粒子；但是在實踐中，大型強子對撞機創造出了可探測能量高達600- 1000 GeV或0.6-1.0 TeV的粒子。如果在某些能量區間內根本就沒有新粒子，那肯定就不會有粒子產生。
如果我們想要發現更多新粒子，唯一的辦法就是不斷地提高粒子碰撞地能量，因此下一步計劃是建立ILC，或國際直線對撞機。直線對撞機是電子/正電子的用武之地，因為如果不需要把粒子彎成一個環，就不用擔心同步輻射的問題。首期目標是分別將正負電子加速到2500億電子伏特的能量，質心繫能量達到5000億電子伏特，ILC在未來將超越大型強子對撞機。但是直線加速畢竟是有距離限制的，並不能滿足我們對最高能量的要求。
如果我們想達到最大能量，還是需要將質子在圓環上加速，在加速器中有兩個因素決定了質子束的能量：迴圈彎曲磁場的強度（由偶極磁鐵的強度決定），在費米實驗室達到4.5特斯拉，在大型強子對撞機達到8.3特斯拉，以及加速器圓環的半徑。
粒子物理學界的終極夢想機器被稱為Fermitron，它是一種加速器，要麼繞地球一週，要麼在圍繞地球的穩定軌道上執行。這顯然是一個龐大的耗費人力物力的工程、需要持續的投資和國際合作。但是地球的平均半徑是6371千米，大約是大型強子對撞機半徑的1500倍。
這意味著，即使使用當今的磁鐵技術（LHC使用的磁鐵），我們也可以達到20.7 PeV或20700 TeV的能量！如果我們改進現有的電磁鐵技術，這個數字只會更高。
如果你擔心這麼高的能量對地球有危害，或者擔心地球是一個地震活躍的星期，那麼我們只需要在地球附近找一塊地質穩定的岩石，然後在上面建一個環形加速器。你想到了那顆星球？對！沒錯，就是月球！
電子比質子輕，為啥對撞機還要用質子？未來如何提高加速器的對撞能量？確實電子比質子輕了好多，在同樣受力的情況下，電子更容易加速，那麼為啥現在人類創造的能量記錄都是質子呢？我們先從對撞機的工作原理說起。
對撞機的工作原理大型強子對撞機是人類歷史上能量最大的粒子加速器，碰撞能量高達14 TeV。對撞機的工作過程是這樣的，將高能質子從兩個方向注入地下半徑4.3千米、周長26千米的真空圓環內。在圓環內部，強大的電磁鐵透過液氦冷卻到比絕對零度只高几度的溫度，這樣電磁鐵就能實現超導性，提供更強的磁場並且對質子做以下兩件事：
當質子經過時，提供一個加速電場，使質子在行進方向上移動得更快
將質子的飛行路徑彎曲成一個圓形，質子每加速一次就會調整一次電磁鐵的強度，以提供合適的磁場，防止質子撞到環形軌道。以前碰撞能量的記錄保持者是美國的費米實驗，當時的軌道周長只有6.3千米，或者說半徑只有1千米。費米實驗室當時使用的電磁鐵技術稍微老舊一些，因此在其20世紀90年代的全盛時期獲得的最大能量也只有1.96 TeV，質子和反質子束的碰撞能量分別為0.98 TeV。
那麼為什麼這些環形加速器要使用質子和反質子碰撞代替電子和正電子來進行實驗。畢竟，質子是由夸克和膠子組成的複合粒子，而電子是單一的基本粒子，不僅能產生更清晰的訊號，更容易被探測到，而且還能為新粒子的形成提供全部的動能，但質子的大部分動能通常都進入非碰撞粒子的成分。
為什麼要使用質子而不是電子？我們都知道帶電粒子在磁場中運動會發出電磁輻射，而電磁輻射會帶走一部分能量，我們也將這種電磁輻射稱為同步輻射。從理論上講，粒子的速度與粒子的質量相比非常小，所以一般情況下同步加速輻射可以忽略不計。但是一個電子比一個質子輕了1836倍，並且有相同的電荷，同步輻射的大小取決於粒子電荷質量比的四次方。知道（1836）4意味著什麼嗎？
這個數字非常大！大約是10^13或者10000,000,000,000。這足以嚴重限制一個電子在加速器圓環裡的動能，這就是為什麼環形加速器的能量記錄會變成質子和反質子。
簡單地說，在加速器的粒子碰撞中，我們也不確定能產生什麼樣的新粒子，但是碰撞粒子攜帶的能量越大就越有可能產生新的粒子。如果一個頂夸克的質量是175gev（以自然單位計算），那麼碰撞粒子至少需要175gev才能創造出一個新的頂夸克粒子。
理論上，大型強子對撞機可以製造出能量高達14 TeV的粒子；但是在實踐中，大型強子對撞機創造出了可探測能量高達600- 1000 GeV或0.6-1.0 TeV的粒子。如果在某些能量區間內根本就沒有新粒子，那肯定就不會有粒子產生。
如果我們想要發現更多新粒子，唯一的辦法就是不斷地提高粒子碰撞地能量，因此下一步計劃是建立ILC，或國際直線對撞機。直線對撞機是電子/正電子的用武之地，因為如果不需要把粒子彎成一個環，就不用擔心同步輻射的問題。首期目標是分別將正負電子加速到2500億電子伏特的能量，質心繫能量達到5000億電子伏特，ILC在未來將超越大型強子對撞機。但是直線加速畢竟是有距離限制的，並不能滿足我們對最高能量的要求。
那麼未來我們還能否製造出更加強大的質子加速器？如果我們想達到最大能量，還是需要將質子在圓環上加速，在加速器中有兩個因素決定了質子束的能量：迴圈彎曲磁場的強度（由偶極磁鐵的強度決定），在費米實驗室達到4.5特斯拉，在大型強子對撞機達到8.3特斯拉，以及加速器圓環的半徑。
因此，我們的電磁鐵技術需要不斷改進。這個受到了技術的限制，但是我們可以控制加速器圓環的大小。也就是說加速器建得越大，質子的速度就越快。粒子物理學界的終極夢想機器被稱為Fermitron，它是一種加速器，要麼繞地球一週，要麼在圍繞地球的穩定軌道上執行。這顯然是一個龐大的耗費人力物力的工程、需要持續的投資和國際合作。但是地球的平均半徑是6371千米，大約是大型強子對撞機半徑的1500倍。
這意味著，即使使用當今的磁鐵技術（LHC使用的磁鐵），我們也可以達到20.7 PeV或20700 TeV的能量！如果我們改進現有的電磁鐵技術，這個數字只會更高。
如果你擔心這麼高的能量對地球有危害，或者擔心地球是一個地震活躍的星期，那麼我們只需要在地球附近找一塊地質穩定的岩石，然後在上面建一個環形加速器。你想到了那顆星球？對！沒錯，就是月球！
月球的赤道半徑為1738公里，是建造粒子加速器的好地方！我們要知道任何質子-質子（或質子-反質子)）加速器的能量公式都很簡單：用加速器圓環半徑（km）乘以磁場強度，然後整體乘以0.4，我們就得到了一個加速器在TeV中的最大能量。如果我們在半徑為1光年的範圍建造一個加速器，就可以直接測試暴漲理論和大統一理論了！甚至能看到早期的宇宙發生了什麼！