Unterschiedliche Teilchenbeschleuniger verwenden unterschiedliche Arten von Kollisionen. Zum Beispiel untersuchten sie am LHC p-Pb-Kollisionen, während sein Vorgänger (LEP) Elektronen mit Protonen kollidierte und am Fermilab Protonen mit Antiprotonen kollidierten.
Was ist der Grund für diese Entscheidungen? Es ist klar, dass Energie hier ein entscheidender Punkt ist, aber warum ist zum Beispiel der Elektron-Positron-Kollisionsprozess am LHC weniger interessant?
Das ist ein großes Thema, und ich werde nicht einmal versuchen, alles abzudecken, aber hier sind ein paar Aspekte, die in die Entscheidung einfließen.
Elektronen geben Ihnen eine saubere Sonde (der Lepton--Photon- oder Lepton-schwache-Boson-Vertex ist sehr gut verstanden.
Elektronen auf Kernen (wie bei JLAB) gibt Ihnen eine präzise Sonde von Nukleon- oder Kernparametern bei moderaten Energien (im Übergangsbereich zwischen Nukleon-Meson-Freiheitsgraden und Quark-Gluon-Freiheitsgraden).
Elektron-Positron-Streuung gibt Ihnen Zugang zu sehr reinen und sehr gut bekannten Anfangszuständen. Sehr nützlich für Präzisionsmessungen grundlegender Scheitelpunktgrößen.
Protonen kann für eine gegebene Biegemagnetstärke mehr Energie gegeben werden als Elektronen. Am nützlichsten für maximale Energie am primären Scheitelpunkt, gibt Ihnen aber auch Zugang zu Quark--Anti-Quark-Wechselwirkungen (durch das Nukleonenmeer). Anti-Protonen (wie beim Tevatron) fügen ein paar nette Schnörkel hinzu, aber es ist schwer, damit viel Leuchtkraft zu bekommen.
Myonen würden den reinen Scheitelpunktvorteil von Elektronen mit einem Teil des Energievorteils von Protonen kombinieren. Sehr interessant, aber auch teuer. Ein Myon Collider scheint immer das Projekt zu sein, das wir verfolgen werden, nachdem wir die nächste Generation von [anderen Maschinen] gebaut haben.
Schwere Ionen geben Ihnen Zugang zu nicht-trivialen Volumina dichter, hochenergetischer Materie während Kollisionen (z. B. Quark-Gloun-Plasma). Es gibt viel zu lernen über die Regeln, die das Verhalten schwer zugänglicher Kerne bei niedrigen Energien bestimmen. RHIC war diesbezüglich ein Pionier.
In den letzten Jahren wurde das Beschleunigerdesign flexibler in Bezug auf die Fähigkeit, Protonen oder schwere Ionen in einer Maschine zu handhaben, so dass der LHC so konzipiert wurde, dass er beide Strahlarten verwenden kann, was drei verschiedene Arten von Untersuchungen mit einem einzigen Collider ermöglicht.
Verschiedene Arten von Maschinen machen unterschiedliche Dinge, und sie sind alle interessant. Es kommt nur darauf an, was man besser machen kann als bisher oder was man neu machen kann und immer, immer , immer , wie viel es kosten wird.
Eine interessante Sache, nach der die Leute für die nächste Generation suchen, ist ein Elektron-Ionen-Collider, der JLAB-ähnliche Arbeit mit einer um ein bis zwei Größenordnungen höheren CoM-Energie leisten kann.
"""".....Was ist der Grund für diese Entscheidungen? Es ist klar, dass Energie hier ein entscheidender Punkt ist, aber warum ist zum Beispiel der Elektron-Positron-Kollisionsprozess am LHC weniger interessant?.....""""
Dieser Teil Ihrer Frage ist sehr einfach zu beantworten. Elektronen und Positronen haben eine sehr geringe Masse (510 keV), sodass sie selbst bei einem bescheidenen elektrischen Feld sehr schnell beschleunigen und infolgedessen Energie durch EM-Strahlung verlieren, wenn Sie versuchen, sie in einem kreisförmigen Schleifenbeschleuniger auf hohe Energien zu beschleunigen.
Folglich werden Linearbeschleuniger als Elektronenbeschleuniger stark bevorzugt; das ist der Grund für den zwei Meilen langen Stanford-Linearbeschleuniger in Palo Alto, Kalifornien.
Protonen sind etwa 1837-mal so massereich wie Elektronen und strahlen bei vergleichbaren Energien weniger ab als Elektronen.