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粒子与反粒子的质量相同，电荷相反。这意味着，入射的粒子、反粒子与纯粹的能量带有的总电荷相同——即一无所有。根据E=mc2 ，这意味着粒子与其自身的反粒子可以转变为能量，能量也可以创造其他的粒子-反粒子对，只要它们不过重，或者最初的粒子-反粒子对的相互作用过强。
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原则上，这些被创造的粒子可以是新颖而奇异的，它们的电荷可能与标准模型中的粒子不同。对撞的粒子与反粒子没有净电荷，奇异粒子与它的反粒子也没有。所以，即便奇异粒子的电荷可能与标准模型中的粒子不同，原则上来说，只要粒子与其反粒子的总电荷为零，这个粒子-反粒子对就有可能产生。
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让我们把这个推论应用到电子上。当把两个带有相同电荷的粒子（比如电子）对撞在一起时，我们只能制造出与参与对撞的系统总电荷相同的事物。它可能产生一个带有双倍电子电荷的事物，也有可能产生两个像电子一样的不同物体，每一个都带有相当于一个电子带有的电荷。这是一个相当强的约束。
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把两个带有相同电荷的电子对撞有很强的限制。另一方面，使用粒子与反粒子对撞创造了很多新途径，而这些途径是使用同种粒子对撞所不能达到的。因为可能出现的新末态非常多，电子-正电子对撞比电子-电子对撞更有潜力。例如，涉及电子及其反粒子（即正电子）的对撞会产生大量不带电粒子，比如Z规范玻色子（gauge boson）（这正是大型正负电子对撞机的工作方式）以及许多足够轻而能够产生的粒子-反粒子对。虽然使用反粒子进行对撞会付出不菲的代价，因为它们难以储存，但是我们的收获更大——我们发现了期望之物，即与参加对撞粒子的电荷不同的奇异粒子。
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不久前，迄今为止最高能标的对撞机使用一束质子与一束反质子进行了对撞实验。这当然需要一种制造、存储反质子的方法。高效地存储质子的方法是欧洲核子研究中心已经取得的最为显赫的技术成就之一。在更早的时期，欧洲核子研究中心建造大型正负电子对撞机之前，实验室就制造了一些高能质子与反质子束。
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欧洲核子研究中心进行的质子-反质子对撞实验中最重要的成就，当属传播电弱作用力的电弱规范玻色子的发现，其发现者卡洛·鲁比亚（Carlo Rubbia）与西蒙·范德梅尔（Simon van der Meer）因此获得了1984年的诺贝尔物理学奖。与其他基本作用力一样，弱相互作用力也由粒子传播。传播弱相互作用力的粒子被称为弱规范玻色子，包括带正电或带负电的W矢量玻色子（vector boson）与电中性的Z矢量玻色子，这三种粒子负责传播弱相互作用力。
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我依然认为两种W玻色子与Z玻色子是“天杀的矢量玻色子”（bloody vector bosons），这个说法源于一位英国物理学家。当时他酩酊大醉，步履蹒跚地来到访问学者（包括我在内）与暑期学生的集体宿舍，排闼直入，口中喃喃重复着这几个词。同时，他还表达了对美国科学统治地位的关心之情，并且前瞻了人类未来在欧洲可能作出的第一个主要发现。当欧洲核子研究中心于20世纪80年代发现了两种W矢量玻色子与Z矢量玻色子时，粒子物理学标准模型（弱相互作用力是其必不可少的一部分）就被实验证实了。
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范德梅尔发现的存储反质子的方法是实验成功的关键，很显然，这是个艰巨的任务，因为反质子极易与随处可在的质子结合而湮灭。在被范德梅尔称为随机冷却（stochastic cooling）的方法中，粒子束的电信号驾驭着一个可以过滤掉动量过高粒子的装置，最终把整个粒子束“冷却”下来，使它们不能快速移动，因此不能立即逃逸或是撞击承载它们的容器，这样即便是反质子也可以被储存。
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质子-反质子对撞机的理念并不只流行于欧洲。这种类型最高能标的对撞机叫作Tevatron，它建造于伊利诺伊州的巴达维亚（Batavia）。Tevatron的能标可以达到2TeV（2000倍于质子的静能量）。[27] 质子与反质子对撞在一起，产生其他粒子，而我们可以详细研究它们。Tevatron发现的最重要的事物是顶夸克，它是标准模型中最重，也是最后一个被找到的粒子。
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然而，大型强子对撞机与欧洲核子研究中心中的第一个对撞机或者Tevatron都有所不同（表6-1简述了不同对撞机之间的比较）。大型强子对撞机使用两束质子，而非质子束与反质子束进行对撞。大型强子对撞机如此选择的理由十分巧妙，值得我们在此讨论。最取巧的对撞方式是让参与对撞粒子的净电荷为零。这种类型的对撞我们已经在之前的章节中讨论过了。如果有足够的能量，那么在净电荷为零的情况下，就可以产生任何粒子与它的反粒子。如果两个电子对撞，不管产生什么，它的净电荷一定是-2，这限制了很多可能结果的出现。也许你会认为，让两个质子对撞是同等的下策。毕竟，两个质子的净电荷是2，这似乎并没有什么本质区别。
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如果质子是基本粒子，这个说法确实是正确的。然而，正如我们在第5章里所讨论过的，质子是有其子结构的。质子由夸克构成，它们被胶子束缚在一起。即便三个带有电荷的价夸克（两个上夸克与一个下夸克）是存在于质子内部的全部事物，事情也没有那么美好——任意两个价夸克的净电荷都是非零。
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表6-1 不同对撞机之间的比较
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*注：LEP被升级为了LEP2代。
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质子带有的绝大部分质量并非源于夸克自身的质量。质子的质量主要取决于把质子束缚为一个整体的能量。具有极高动量的质子同样具有极高的能量。除了三个载荷的价夸克之外，与这些能量共存的是质子中包含一片夸克、反夸克与胶子的海洋。这意味着，如果你试图探测高能质子，你不仅将找到三个价夸克，还有一片净电荷为零的夸克、反夸克与胶子的海洋。
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因此，当考虑质子对撞时，在应用属于电子对撞的那些逻辑时，我们必须加以小心。我们感兴趣的事件是那些子结构对撞的结果。这些对撞涉及子结构，而非质子的载荷。即便夸克、胶子的海洋对质子的净电荷并无贡献，但它们各自确实带有电荷。当质子被对撞在一起时，有可能质子中的某个价夸克撞上了另一个，然而这个碰撞的净电荷却非零。只要这个事件的净电荷不消失，我们感兴趣的、涉及正确数目电荷的事件就会出现，然而这个对撞并没有零净电荷的对撞所具有的广泛能力。
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然而，由于虚粒子海洋的存在，很多有趣的碰撞都有可能发生。夸克可能撞上反夸克，胶子可能撞上胶子，这与零净电荷的对撞大有不同。当质子被对撞在一起时，某个质子中的夸克有可能撞上另一个质子中的反夸克——虽然这在大多数情况下不会发生。所有可能发生的过程（包括那些来自粒子海碰撞的过程），都在我们针对大型强子对撞机中发生了什么的疑问中扮演着重要的角色。事实上，质子被加速到的能标越高，粒子海中的对撞就越有可能发生 。
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质子的总电荷并不能决定可能产生的粒子，因为质子的其他部分避开了碰撞，一往无前。质子不参与碰撞的部分把质子其余的净电荷带走了，它们在粒子束管中消失了。这正是帕多瓦市长扎诺那多提出过的巧妙问题，即，在大型强子对撞机的质子对撞过程中，质子的电荷去了哪里。这与质子具有子结构的本质以及对撞的高能标都息息相关——后者保证了只有已知最小元素（夸克、胶子）直接进行对撞。
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因为只有质子的一部分参与了对撞，以及那些部分可能是以零净电荷对撞的虚粒子，所以质子-质子对撞机与质子-反质子对撞机之争并没有那么重要。以往，在更低能标的对撞机上，使用反质子参与对撞以保证我们感兴趣的结果会出现绝对物有所值；而在大型强子对撞机的能标下，这并非是一个显而易见的选择。在大型强子对撞机将达到的高能标上，质子很重要的一部分能量是由夸克、反夸克、胶子的海洋所携带的。
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服务于大型强子对撞机的物理学家与工程师们最终决定，使用两个质子束而非一束质子与一束反质子进行对撞。[28] 这让产生很高的光度（意味着更多对撞的发生）变得更加可能。而且，制造质子束比制造反质子束要容易许多。
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所以，大型强子对撞机是质子-质子对撞机，而非质子-反质子对撞机 。它有着极大的潜力，许多更加轻而易举就可以完成的质子-质子对撞将在它上面完成。
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950061]
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