加速器

微观世界中的粒子一大半是带电的，有的带负电（例如电子），有的带正电（例如质子）。加速器所利用的就是带电粒子的电磁性：或制造一个强电场，使带电粒子在里面被直线加速；或制造一个强磁场，使带电粒子在里面被旋转加速；也有的把电场、磁场巧妙地结合起来，把粒子加速到更快的速度。不论何种方式，只要把粒子的速度不断加快，它的动能也随之加大，达到一定的数值后就能作为“炮弹”射向“原子王国”了。

静电现象是人类最早认识的物理现象之一，带电物体会异性相吸，同性相斥，这也是人们最早得到的知识之一。同样，静电方法也最早用在加速器上，静电加速器是最先诞生的加速器。它的主要部分是一个与四周绝缘很好的钢筒。不断产生的电荷通过输送带被送到钢筒表面，造成很高的电压。这样，带电粒子经过钢筒时就得到加速。

另一种直线加速器虽然也是利用电场加速粒子，不过它不是利用静电场，而是利用交变电场来加速带电粒子的，这样可以把粒子加速到具有很高的能量。例如，美国斯坦福大学的电子直线加速器全长达3.2千米，能把电子加速到具有200亿电子伏的能量。

如果以粒子被加速时的轨迹来区分加速器，则可分为直线型加速器和回旋型加速器两大类。上面介绍的两种都属于直线型，而世界上第一台回旋加速器是由美国物理学家劳伦斯在1932年创造的。

我们知道，当带电粒子在垂直于磁力线的平面上运动时，将环绕着磁力线转圈。劳伦斯利用了这一点，使带电粒子在磁场里转圈。然而，仅仅转圈子是不够的，怎样使它越转越快呢？他将一个空心金属圆盒切成两半，当中隔开一道缝。由于每半个盒子很像英文字母“D”，所以它们又叫“D形盒”。劳伦斯在D形盒外面加上很强的电磁铁，磁力线便垂直地穿过D形盒。为了使带电粒子能在磁场里越转越快，劳伦斯巧妙地在两个D形盒之间加上交变电压，并且使电压的变化正好使左边D形盒所带电荷的符号与刚到达右边D形盒边缘的粒子的电荷符号相反。由于异性相吸，带电粒子在转圈子过程中，凡经过D形盒的边缘时，就被加速一次。就这样，带电粒子在D形盒里一圈一圈不停地转着，且越转越快，圈子也越转越大。最后，当它们来到D形盒边缘的开口处时，这些能量已很大的“炮弹”就像被铁饼运动员扔出的铁饼一样，沿切线方向飞了出去，射向目标。

回旋加速器

劳伦斯最初设计的回旋加速器，它的D形盒直径不到33厘米。然而，就是这么个“小玩艺儿”，却能把带正电的粒子加速到100多万电子伏。1939年，劳伦斯又造了一个回旋加速器，直径已有152厘米，它的磁铁直径超过1.5米，重220吨，它能把带电粒子加速到2000万电子伏。

当然，回旋加速器也有不少缺点，特别是它的磁铁越来越大。如果想把它的能量再提高10倍，那么，磁铁重量就要增大1000倍，这显然很不现实。

为了避免把加速器做得越来越大，利用两束高能粒子互相对撞是个好办法。因为对撞至少可以使能量水平提高一倍，而且实际上远不止提高一倍。这就导致了“对撞机”的问世。

要使两个粒子对面对相撞，其难度要比“子弹打子弹”大得多，因此，对撞机在技术上的要求很高。

顶夸克的实验证明

在描述微观粒子内部结构的各种模型中，标准模型是取得广泛认同的一种模型。这种模型认为，组成物质的基本单元是轻子和夸克。轻子就是我们已经知道的电子、中微子等。夸克则有6种，其中的5种夸克，到本世纪70年代已为实验所证明。在实验上给出第六种夸克——顶夸克产生的证据，是90年代高能物理学的一个重大成果。这一成果是在1994年4月由美国费米国家实验室完成的，他们所用的实验设备主要就是对撞机。