1700951454
1700951455
第一个环形粒子加速器被命名为“回旋加速器”（cyclotron），这是因为那些粒子被加速的路径是环形的。欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）于1932年在加州大学建造了第一台回旋加速器。这台机器直径不到0.3米，按照现代标准，它是非常无力的，它能提供的能量远远不够我们寻找夸克所需的。这个成就只有当加速器的技术发展到一定水平时才会被人们达成（沿着这条路走下去的技术也会导致一系列的重要发现）。
1700951456
1700951457
在夸克与原子核的内部结构被发现之前，埃米利奥·塞格雷（Emilio Segrè）与欧文·张伯伦（Owen Chamberlain）于1955年在劳伦斯伯克利实验室（Lawrence Berkeley Laboratory）的高能质子同步稳相加速器（Bevatron）上就发现了反质子（antiproton），并因此共同获得了1959年的诺贝尔物理学奖。高能质子同步稳相加速器比回旋加速器更加精细、复杂，它可以把质子加速到6倍于其静质量的能量[26] ——这足以产生质子-反质子粒子对。高能质子同步稳相加速器中的质子束轰击靶并（根据E=mc2 ）产生奇异物质，其中包括反质子与反中子（antineutron）。
1700951458
1700951459
反物质
1700951460
1700951461
指反原子核由反质子与反中子组成的带负电荷的物质。由于物质与反物质的总荷为零，物质在与其对应的反物质相遇时会湮灭。
1700951462
1700951463
反物质（antimatter）在粒子物理学中扮演着很重要的角色，所以我们将用一点时间来探索这种与日常观测到的物质相对应的重要事物。由于物质与反物质的总荷为零，物质在与其对应的反物质相遇时会湮灭。例如，根据E=mc2 ，反质子（反物质的一种形态）可以与质子结合并化为纯粹的能量。
1700951464
1700951465
英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）于1927年在试图寻找描述电子行为的方程时首次用数学方法“发现”了反物质。他唯一能写下的与已知的对称原理（symmetry principle）相容的方程暗示了，带有与已知粒子相同质量、相异电荷粒子的存在，这种粒子之前从未被人们发现过。
1700951466
1700951467
狄拉克为他的方程绞尽脑汁，最终认为这种神秘的粒子必然存在。美国物理学家卡尔·安德森（Carl Anderson）于1932年发现了正电子（positron），这证实了狄拉克的主张：“方程比我更加可信。”反质子（显然更重）在20多年之后才被人们发现。
1700951468
1700951469
反质子的发现不仅对确认它们的存在而言十分重要，而且对确证于解释宇宙运作规律的物理定律而言，基本的物质-反物质对称性也是必不可少的。毕竟，世界是由物质而非反物质构成的。绝大多数日常物质的质量是由质子和中子，而非其反粒子所携带的。这种物质与反物质的不对称性对世界有着决定性的地位，然而我们还不知道它是如何出现的。
1700951470
1700951471
发现夸克
1700951472
1700951473
1967-1973年，杰尔姆·弗里德曼（Jerome Friedman）、亨利·肯德尔（Henry Kendall）与理查德·泰勒（Richard Taylor）做了一系列实验，确证了质子与中子中夸克的存在。他们在直线加速器（linear accelerator）中完成实验。这种加速器与回旋加速器和高能质子同步稳相加速器不同，它只能沿着一条直线加速电子。这个加速器中心被命名为斯坦福直线加速器中心（SLAC），它位于帕洛阿尔托（Palo Alto）。经SLAC加速的电子会辐射出光子。这些高能（因而波长很短的）光子与原子核中的夸克相互作用。弗里德曼、肯德尔与泰勒测量了逐渐增加对撞能量时相互作用的变化率。如果原子核没有内部结构，那么这个变化率应该逐渐递减；如果原子核存在内部结构，变化率依旧会减少，然而其减少的速率会变缓许多。在卢瑟福发现原子核数年之前，这些散射结果（在这种情况下是光子）就表现得非常不同，这暗示着质子并不只是一个没有内部结构的质点。
1700951474
1700951475
虽然如此，即便是有在必要能标下进行的实验结果的支持，想要辨认出夸克也并非一件轻而易举的任务。理论与技术都必须确保实验的特征信号可以被预期与理解。由理论物理学家詹姆斯·布约肯（James Bjorken）与理查德·费曼所做的见解深刻的实验与理论分析指出，实验确定的变化率支持原子核中存在内部结构的假说，因此确证质子与中子的内部结构——夸克就被发现了。弗里德曼、肯德尔与泰勒因此获得了1990年的诺贝尔物理学奖。
1700951476
1700951477
没有人能通过肉眼直接观察到夸克或是它的性质，可行的方法必然是间接的。即便如此，观测结果也确证了夸克的存在。在理论预期、测量到的性质与起初解释本质的夸克假说之间的一致，确证了它们的存在。
1700951478
1700951479
随着时代的发展，物理学家与工程师们发明了各种越来越先进的加速器，它们在越来越大的尺度上运行，把粒子加速到越来越高的能标上。越大、越好的加速器可以产生具有越来越高能标的粒子，它们被用来探索更小尺度上的结构。其发现确证了标准模型，因为标准模型中的每个元素都一一被发现了。
1700951480
1700951481
固定靶实验与粒子对撞机
1700951482
1700951483
发现了夸克的那类实验，即被加速的一束电子束被直接发射到固定物质上的实验，被称为固定靶实验（fixed-target experiment），其目标靶很容易被击中。
1700951484
1700951485
固定靶实验
1700951486
1700951487
指将被加速的电子束发射到固定物质上的实验。目标很容易被电子束击中。
1700951488
1700951489
目前最高能标的加速器与此不同。它们涉及两个粒子束的对撞，每一束都被加速到极高的能标（图6-2是一个对比）。如我们所想象的，两束粒子必须被高度集中在一个小区域里，以保证对撞能发生。这极大地减少了我们预期发生的对撞数量，因为一个粒子束更可能与一大块物质，而非另一束粒子发生相互作用。
1700951490
1700951491
1700951492
1700951493
1700951494
图6-2 某些粒子加速器在粒子束与固定靶之间形成相互作用，另一些则把两束粒子对撞在一起。
1700951495
1700951496
粒子束-粒子束对撞有一个很大的好处。这些对撞可以达到非常高的能标。
1700951497
1700951498
爱因斯坦曾经提到过对撞机比固定靶实验更加风靡的原因：这与系统的不变质量（invariant mass）相关。虽然爱因斯坦因相对论而成名，他却认为更应将其命名为“不变理论”。其理论的真正要点是，找到一种避免被特殊参考系误导的方法，以找到决定系统特征的不变量。
1700951499
1700951500
这个理念可能在一些空间性质（比如长度）上于我们而言更加熟悉。固定物体的长度取决于它在空间中如何被定位。事物具有固定的尺寸，且不随着人的观测而改变；而坐标系不同，它由事先确定的任意坐标轴与方向构成。
1700951501
1700951502
相似地，爱因斯坦发明了一种描述事件的方法，它不依赖于观测者本身的位置或动量。不变质量是对物体总能量的一种衡量。它告诉我们，在已知系统中能量的情况下，可能产生的物质有多重。
1700951503