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固定靶实验与粒子对撞机
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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。
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固定靶实验
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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为了确定不变质量的数值，我们可以提出如下的问题：假使系统是静止的（完全没有速度或者动量），那么它将带有多少能量？ 如果一个系统没有动量，那么我们就可以应用方程E=mc2 。因此，一个系统的静能量等同于知道它的不变质量。当系统不处于静止状态时，我们需要一个更加复杂版本的公式，它依赖于动量与能量的数值。
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假定我们把两个具有相同能量、等大反向动量的粒子束对撞在一起，它们碰撞过程的总动量为零。这意味着整个系统已经是静止状态的。因此，全部能量（两个单独粒子束中每个粒子的能量之和）都可以转变为质量。
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固定靶实验则大不相同。入射粒子束有很大的动量，而靶本身没有动量。并非所有能量都可以用来产生新粒子，因为这个由靶与入射粒子束共同构成的复合系统依旧在运动。由于这种运动的存在，并非所有对撞中的能量都可以用来产生新粒子，因为还有一部分能量以与动量相关的动能形式存在着。最终，有效能量大致只有入射粒子束与靶能量乘积的平方根的数量级。这意味着，如果我们把入射质子束的能量增大100倍，并把它与一个静止的质子碰撞，产生新粒子的有效能量只会增长10倍。
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这告诉我们，在固定靶与粒子束-粒子束对撞之间存在着巨大差别。粒子束-粒子束对撞的能量远远高于粒子束-固定靶碰撞，你大概会预期前者约是后者的两倍。然而这个猜测是以牛顿思想为出发点的，并不适用于接近光速运动的相对论性粒子。固定靶碰撞与粒子束-粒子束对撞相比，能量的差异远大于之前简单的猜想，因为在近光速的情形下，相对论进入了舞台。当想要达到高能标时，我们别无选择，唯有使用粒子对撞机，把两束粒子加速到极高的能标而碰撞在一起。同时加速两束粒子可以获得更高的能量，因此可以产生更强烈的碰撞。
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大型强子对撞机正是粒子对撞机的一个例子，它把被磁场约束而瞄准的两束粒子对撞在一起。决定对撞机（比如大型强子对撞机）性能的主要参数是参与对撞粒子的类型、加速之后能拥有的最高能标、对撞机的发光度（luminosity，指结合的粒子束的强度以及出现的事件数）。
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哪种对撞机才是最佳选择
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一旦我们确定了同时使两束粒子参与对撞，相比固定靶实验就可以提供更高的能量（因此可以探索更小的尺度），接下来的问题就是用什么来进行对撞了。这引发了一些有趣的选择。特别地，我们必须决定要加速哪些粒子以参与对撞。
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使用地球上轻而易举就能获得的物质无疑是个好主意。从原则上讲，我们可以尝试把不稳定的粒子对撞在一起，比如很快就会衰变为电子的μ子，或者如顶夸克这种很快就会衰变为其他较轻物质的重夸克。
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在这种情况下，我们必须首先在实验室中制造这些粒子，因为它们并不是随手可得的。但是，即便我们可以制造它们，并且在它们完全衰变之前就把它们加速到所需能标，我们依然必须要确保衰变过程中产生的辐射被安全地转移。这些问题并非不可逾越的天堑，尤其是μ子，它形成粒子束的可能性还在研究之中。然而它们确实产生了我们在处理稳定粒子时不会面对的困难。
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所以，我们必须做一个直截了当的选择——直接选择那些地球上存在、不衰变的稳定粒子。这意味着我们会选择轻粒子，至少是束缚稳定态的轻粒子，比如质子。我们还希望这些粒子带有电荷，这样就可以方便地使用电场来加速它们。这使得质子和电子成为可选项，它们都是大量存在的、可以很便捷地找到的粒子。
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我们应该选择哪个呢？它们各有利弊。电子的好处在于它可以完全地碰撞，而且它毕竟是基本粒子。当使用电子碰撞其他物体的时候，电子并不会把它本身的能量分给许多其自身的子结构。正如我们目前所知，电子之下没有更多的子结构。由于电子的不可分割性，我们可以非常精确地把握它与其他物体碰撞过程中所发生的事情。
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对质子而言就不是这样了。让我们回顾一下，在第5章中我们提到，质子是由被强相互作用力束缚在一起的三个夸克构成的，胶子在夸克之间被交换以把整个体系“黏”在一起。当质子在高能标下参与碰撞时，你感兴趣的能产生一些重粒子的相互作用一般只涉及质子中的单一粒子，比如单独的夸克。
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夸克显然不会携带质子的全部能量。所以，即便质子可能带有极高的能量，夸克带有的能量却相对较少。它依然可以具有相当可观的一部分能量，只是这个数值依然不及假设质子可以把它的全部能量集中到那个单一夸克上所能具有的。
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