大型強子對撞機的原理是什麼?它撞了什麼?

關於設計和實驗原理。。。這個問題是不是可以開一門4學分的研究生課啊。。。這裡簡單說一下吧。作為一個大四的學生，我完全不敢說自己真正明白，僅僅是希望能讓更多的人了解看起來很神秘的高能物理和對撞機實驗。

首先這屬於高能物理實驗。所謂高能物理就是能量很高啦～高到什麼地步呢？就是說在這個能區內，原子開始展現出其內部結構，能量越高，我們能夠看到的細節越多，從原子到質子中子，到夸克，這些多少會聽說過的名稱實際上都是經過不斷的實驗積累和理論上的推測發現並確定其性質的。

大型強子對撞機內部

這對應著宇宙爆炸後非常非常短的時間內的能量和物質密度，一切所知的物質結構都被打散，只剩下最基本的目前認為不可被分割的基本粒子。不過請不要試圖用切西瓜或者其他經典圖像來照搬，基本粒子的存在方式、其間的關係和相互作用是需要專業的數學預言來描述的。只有當深入的學習，搞清楚這些數學和物理本質以後，逐步建立起量子、場等概念才能進行深入的討論。

好啦，再說加速器實驗。加速器實驗是高能實驗中重要的也是最龐大、消耗人力物力的實驗。不過加速器也沒有離我們生活這麼遠，我們經常聽說的照X光片，治療癌症的放療，重離子加速癌症治療（我國目前蘭州重離子加速器HIRFL就是正在運行的一臺，可以參見重離子加速器治療癌症靠譜嗎？ - 物理學，據說治療後5年壽命保證率達到99%）。

對撞機

加速器僅僅是一種儀器，用來賦予被加速的粒子能量。被加速的粒子可以是非常輕的電子，也可以是很重的重離子，比如說金離子。而且加速達到的能量也不同。加速不同的粒子用於研究不同的問題。比如基礎物理實驗，為了一個簡單的實驗條件和乾淨的背景，就使用極高能量的電子，像計劃中的ILC，國際直線加速器。

或者為了研究核物理、高密高壓物理就會使用離子加速。目前世界上各種類型各種能區的加速器非常多，處於激烈的競爭之下。因為加速器投入大，如果有人在相同能區比你做的好，那麼你的加速器就沒有用了。（這裡要說到我國的北京譜儀，靠著高亮度和束流質量，曾經在正負電子對撞領域迫使歐洲美國的相同能區2-5GeV加速器停機，並一直獨佔此能區到現在。北京正負電子對撞機（4.15更正：有同學提出了質疑，我也會再仔細調查一下。總之，我在這裡想說北京譜儀是在國際上有過一定地位的））

另外，加速器還可以做醫療、光源（比如上海光源、散裂中子源等）有及其豐富和科研、民用和商業價值。

對撞機的價值在哪

加速器實驗的另一個要素就是探測器。加速器只是用來製備實驗對象，還要對其進行觀察。這就需要用到探測器。沒有加速器也是可以做高能實驗的，比如暗物質探測（靠天）、中微子（靠太陽靠核電站）、高能宇宙線（比LHC不知道高到哪裡去了）、質子衰變（就是慢慢等）、雙beta衰變（還是慢慢等）等等。這些實驗都需要特殊設計的探測器來記錄粒子的信息並進行反推，得到物理事例的原貌，最終得到實驗結論。

所以說不要誤解加速器實驗。其中對於物理來講最重要的一部分就是探測器。

關於研究的問題，其他答主已經說的挺明白了。或者換句話說，就是理論物理前沿的方向性問題、下一步物理將走向何方。這也就是為什麼人類會願意投入100億美金來建造這個龐然大物。關於實驗原理，實際上還要從最基本的講起。

首先，對撞幹了什麼？

對撞到底幹了什麼

對撞就是把粒子打散，打的越散越好，可以形象的理解為真的是碎成渣渣了。為什麼要這樣呢？因為粒子的細緻結構是藏在外部之下的。當兩輛車迎面相撞的時候，速度越快，撞的越厲害，發動機啊，座椅啊車皮啊飛得到處都是。要是想知道發動機是怎麼工作的呢？那我們就開得再快一些，這樣撞的就更散了，發動機裡面的活塞什麼的都飛出來了。這樣就知道發動機是如何工作的了。

但是大自然還存在著更神奇的力量，當這些最細小的零件被裸露出來時，它們還會被隨機的拼裝，裝成任何可能組裝成的東西。比如說，10^10輛車相撞，都撞得稀爛，零件亂飛，然後就會恰巧的產生出火車、飛機、UFO神馬的，在對撞機中也就對應著新粒子的生成。

對撞會產生什麼粒子

然而這些新組裝出來的東西不一定是穩定的。每一個不是基本粒子的粒子都有其壽命，隨著時間都有一定的概率衰變成零件。然後零件們又會組裝成生成概率最大的東西。而且有可能在這個過程中能量不夠了，不再能組裝回衰變前的東西。比如說，兩輛車非常非常高的速度相撞，撞出一個火車，然後火車開了沒有10米就散架了，然後碎裂的零件形成了5量小車。這是一個能量轉換成質量的過程，完全是有可能發生的。一句話說，只要能量足夠，物理過程允許，一切粒子都有可能產生。

上面說的就是對撞機中發生的物理過程。這種對撞、產生新粒子、又衰變為穩定粒子的過程叫做共振。當對撞粒子的能量在新粒子質量附近時，就會產生大量的新粒子，並通過上述反應得到具有一定特徵的末態穩定粒子分布。根據這個特徵，物理學家會定義一些物理量（不變質量，或者末態粒子空間分布、能量分布等等），並根據末態粒子的狀態計算這個量。當共振存在時，就像真的共振一樣，這個量就會形成共振峰。

對撞出原子彈的能量

對撞機就是通過探測器記錄末態粒子的狀態並反推發生的物理過程，篩選出感興趣的過程和對應的末態，計算那個物理量，並進行統計，得到這個量的統計分布。當中間態的新粒子真實存在時，就會觀察到一個共振峰的存在，即不變質量在末一個位置集中分布。根據這個峰，我們可以得到新粒子的質量和壽命。而所謂的結果的幾個sigma是指認為這個峰在統計上存在於這個位置的可能性。並且根據空間分布等信息可以得到這個新粒子的自旋、反應的通道等等。

好了，知道了對撞機內的物理過程和實驗設計思路，我們就要看探測器是如何完成對末態粒子的記錄並重構物理事件的。