1993年6月我们参观了位于旧金山斯坦福大学内的斯坦福直线加速器中心（SLAC）。现根据该中心提供的最新资料编译成此文，以较系统地介绍该中心的概况、主要设备、取得的成就及未来的规划，这里先摘译一段该所名誉所长W. K. H潘诺夫斯基（Panofsky）的话：“一切自然科学，很可能一切生命科学最终必然寄托于基本粒子物理的发现上，如果大自然已创造一个现象群的家族，它控制了基本粒子性能，而同时在这些现象和从那些真正粒子中建立起来的宏现世界之间并未建立任何联系，那么在科学进展中无疑违反了我们过去的经验。……我们不能经受对每一事物所依赖的结构的最基本类型的漠然无知。”
——译者
SLAC概况
SLAC是斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center）的简称，它是由斯坦福大学为美国能源部（DOE）建立的一个国家研究所。它坐落在旧金山半岛丘陵底部的斯坦福大学校舍主楼以西的426英亩土地上，其主要设备是一座2英里长的直线电子加速器，这是该中心各项实验的基础。
SLAC创办于1962年，专门从事于基本粒子物理的实验和理论研究，并推进与此研究相应的新技术的发展。它从事一项全国性研究项目已连续工作25年以上，该项目对人们了解宇宙作出了重要贡献。该中心是全世界为数甚少的实验室之一，对于物质基本成分及成分之间发生作用的力的探索，处于世界研究的前列。研究项目以使用电子束流对基本粒子的实验和理论研究以及使用同步回旋加速器辐射对原子、固态物理、化学、生物学及医学的广泛研究为主。参加这些实验项目的有美国各地和遍及全世界的科学家，研究所人员现约1400人，其中150人是获得哲学博士学位的物理学家。来自其他研究所的300~400名物理学家正在参加高能物理项目。在任何时候都有600名科学家参加同步回旋加速器的辐射源研究项目。1993年该所年度经费预算为1.34亿美元。
该所的管理机构及负责人为：所长伯顿 · 里希特（Burton Richter）即J/ψ粒子的发现者之一、副所长1名、副主任1名，并设技术科、研究科、辐射实验室、商业服务科、环境安全与保健科等部门，各设1名副主任主持工作。
主要设备
（1）直线加速器
这是SLAC各种实验项目的基础设备。它包括两座2英里长的平行结构：一座是埋在压实、有防护作用的地下25呎深处的加速器机房：一座是直接设在它上面的速调管坑道，在坑道内有许多圆筒，它们是速调管的动力管，从中发出高能量微波脉冲，来驱动下面的加速器电子射束。加速机房内是完全笔直的加速器射束管，直径为4吋（101.6 mm），由校准管道支持，采用激光束校准使偏差达到最小。直线加速器初期的能量为20 GeV（20×109ev即用200亿伏电压对一个电子加速的能量），现在直线加速器的能量已增加到50 GeV，可加速电子或正电子（电子的反粒子）射束。这种高密度的电子束，具备了世界上能获得的最高能量
（2）8 GeV正负电子对撞机（储存圆环）
斯坦福大学在粒子物理研究中，对近光速碰撞储存圆环的发展和使用有悠久历史。斯坦福第一台这样的机器其能量为500 MeV，形状像8字，位于大学主楼内，此项目是普林斯坦大学和斯坦福大学物理学家之间共同努力的结果。
采用储存圆环结构制造对撞机是基于这样一种考虑：在直线加速器中，加速射束击中一个静止粒子，大部分的射束能量，在击中粒子时由碰撞弹回，即被这一粒子带走了。为了防止这种能量的浪费，使加速射束的全部能量完全用于碰撞，发展了储存圆环。将直线加速器生产的高能电子射束以接近光速的速度进入圆环，环绕圆环运动而储存；同样，直线加速器生产的高能正电子射束被类似地注入圆环内，但按相反方向循环储存。然后将两个反方向转动的射束引向彼此交叉的通道上，射束中的粒子是如此的微小，难得彼此相撞，但是因为每一射束内有几百万个粒子，并且因为射束一次又一次环绕圆环快速行进时，1秒钟内互相交叉达10万次以上，因此会发生粒子互撞。在粒子对撞时，互撞的粒子以相等能量沿相反方向运动，两个粒子中的每一粒子能量，能排他地转化在撞击的生成物中。该正负电子对撞机（SPEAR）于1972年竣工，储存圆环直径为80 m。
（3）30 GeV正电子——电子工程（PEP）
正负电子对撞机不断取得重要的新物理成果，下一步逻辑性步骤便是促使科学家们设法增大它的能量。于是SLAC在劳伦斯 · 贝克莱实验室的协助下，于1980年完成了30 GeV的正电子——电子工程，该工程将储存圆环的直径扩大至800 m。从建成起这项设备已用来支持几百名物理学家和大学毕业生的研究活动。
（4）直线对撞器（SLC）
为了提高能量，必须进一步扩大储存圆环的直径。理论计算表明，要达到近代的最高能量其储存圆环的周长要有17英里，如欧洲原子核研究委员会建造的大电子——正电子碰撞器（LEP）那样。
斯坦福中心在发展中所以将储存圆环改为直线对撞是因为，随着射束能量的上升，环路射束的辐射能量增加得非常快，超过某一平衡点时，用直线对电子或正电子加速要比用环路更经济。为此必须发展一种新设想，这一新设想就是建立直线对撞器。在这种装置中极高能量的射束用电弧传送，彼此直接对准，仿佛两座直接面对面的2英里直线加速器相互对准一样。由于在SLC中的射束不再循环，即每秒钟不再有成千上万次相交，因此必须发明一种新技术来提高粒子实际碰撞的可能性。为此必须在射束相互碰撞以前去挤压射束——从亳米减低至比一根头发丝还细的截面，使碰撞可能性大大增加。直线对撞器实际上是对现有2英里直线加速器的升级，其中有两个使射束减小到适当体积的小储存圆环，两个分别输送电子和正电子射束到一个单一碰撞点的长弧磁体，还有一个精心制造的聚焦系统，直线碰撞器的能量达100 GeV，而它的体积却比上述的LEP小几百倍。SLC除了作为新的加速器供试验外，也可作为一种获得能量区的设备，该能量区能在一个简单环境中大量地生产粗而重的Z′粒子。1992年SLAC还发展了一项新的偏振射束源，使SLC有足够高的密集度。
（5）大探测器（SLD）
斯坦福直线对撞器的第一项探测器系统称为标志2号（MARKⅡ）。1991年安装了斯坦福大探测器（SLD）。这是一个更精致更完备的探测器系统。SLD将保证斯坦福直线对撞器的实验项目在进入90年代中期继续保持获得成果。
（6）同步回旋加速器实验室（SSRL）
使电子在一条非直线通道内运转时，会产生电磁辐射的反应并随之失去部分能量。因为正负电子对撞器和正电子——电子工程中的储存圆环使来自直线加速器的电子束环绕圆环循环，这些电子射束便发出辐射和失去能量，为此必须加以补充、这种能量的消失，曾一度被认为是一种累赘，难以使循环的射束能量提高。今天，这一种新类型的辐射，称为同步迴旋加速器辐射，它正被广泛使用作为一种独特的科学技术使用的辐射源。
这是因为这种辐射很强烈并且高度偏振。偏振是指横波的振动矢量偏于某些方向或者振动矢量有规律地随时间变化的现象，光和电磁波均属横波）。它是一种有许多波长组成的宽广连续频谱，包括紫外线区和X射线区异常明亮的辐射，特别适合于对原子和分子结构的研究。在斯坦福同步加速器辐射实验室中，能从储存圆环中抽取辐射，加以提炼，以用于基本理论和应用方面的研究，包括化学、生物学、医学、X光物理及材料科学等进行各种实验。该实验室在一年中运转7~9个月。
主要成就
SLAC建立初期，即1966~1972年期间是以实验为基础进行研究。这些实验显示了构成原子核（质子和中子）的基本粒子是由叫做夸克（quark）的更小更基本的物体组成的。
在随后的年代里，SLAC在高能物理领域中收获颇丰。在这些成就中有两项尤为突出，第一项是1974年对J/ψ粒子的发现。这种粒子由一种全新的夸克和反夸克的结合组成。在此之前，人们只知道有三类夸克。但是，这一新的称为第四类夸克——粲夸克的发现，使人们深信，关于物质夸克亚结构的基本概念事实上是有效的。1976年诺贝尔物理学奖金授予SLAC的伯顿 · 里希特，使这一工作获得承认，麻省理工学院丁肇中因在布鲁克海文国家实验室同时发现这一新粒子而与里希特分享奖金。
正负电子对撞机储存圆环的第二项革命性发现是一种叫做τ子的粒子，成为轻子中的带电基本粒子中的第三名。轻子中第一名是电子，于1897年发现；第二名是μ子，于1937年发现；SLAC的M. 玻尔因发现τ子（tau lepton）于1983年获得沃尔夫（waif）奖。
如上所述，正负电子对撞机储存圆环还有一个开始被视作缺点而后来却开辟新领域的同步回旋回速器辐射，即由循环的电子束发射紫外线和X射线，成为在材料科学和医学等领域内开展研究的新的光源。
在30 GeV的正电子——电子工程中可研究某些基本粒子的寿命。它对于研究碰撞中的初生夸克是怎样随后分裂成碎片和逐渐形成探测器中确实观察到的各种粒子，并对于量子色动力学（QCD）的试验已进行了重要的工作。目前认为这一理论说明了将夸克缚在一起的强力诈用。
斯坦福直线对撞机提供高能的射束碰撞，大量地产生了作为弱力载体之一的难以捕捉的Z′粒子。这些异常精确的实验表明，称为电磁力和弱力的大自然四种基本力中的两种力，仅仅是宇宙开始形成时存在的一种单一力的不同表现而已，从而在理论上证实了弱力和电磁力的统一，使科学家们越来越了解并开始相信宇宙间一切物质是由12种基本粒子（见下表）和相应的反粒子组成的，加上在物质间传递四种力的被称为玻色子的粒子（指光子、中性矢量玻色子、介子以及尚未被验证的胶子和引力子等）。
12种基本粒子一览表
从SLAC的大事记中，我们可以系统地了解它取得主要成就的时间表。
SLAC大事记
1962年 执行合约，加速器动工。
1966年 建筑完工，开始研究。
1968年 首次证实发现夸克。
1972年 正负电子对撞机的运转开始。
1974年 发现ψ粒子
1976年 发现粲夸克和τ子
1976年 发现J/ψ，B. 里希特分享诺贝尔奖金
1979年 成立斯坦福同步回旋加速器辐射实验室（SSRL）
1980年 正电子——电子工程（PEP）开始运转
1983年 SLC（斯坦福直线碰撞器）动工
1989年 SLC运转开始
1990年 SLAC的R. 泰勒因首次证实核子内包含夸克而分享诺贝尔奖金
1992年正负电子对撞机（SPEAR）成为专用的同步回旋加速器辐射源，SSRL成为SLAC的一个部门。
未来的规划
（1）建立非对称B工厂
来自SLAC及贝克莱实验室（LBL）和LLNL国家实验室的一群科学家们建议在SLAC建立一座被称为非对称B工厂的设施。这是通过对现有的正电子——电子工程（PEP）的改进和升级实现的，它利用许多现有设备的基本构造，但增加磁体圆环和其他装置，使碰撞率增加约1000倍，由此形成的未来研究项目十分可观。为了使这些重要课题开展研究，需要大量生产称为B介子的粒子，故名为B工厂。
（2）CP不守恒的探索
上述B工厂的中心研究课题之一是研究有关物质性能观察中最令人困惑的现象之一，即CP不守恒（C为电荷共轭，是交换粒子和反粒子的术语；P为空间反演，近似地等价于空间镜像。已有证据表明，CP在弱作用中不是绝对成立的）。CP不守恒看来可能是宇宙形成中的一个关键性问题，但是人们对这一现象的了解现在仍然十分贫乏。B工厂具备提供一组足够宽广的测量潜力，使人们对于CP不守恒及其与宇宙演变的关系能够取得进展，其中包括看来是最基本的所谓左手和右手的差别。
（3）关于仪器仪表的规划
关于高能物理研究用的探测器的发展和仪表测量设备的发展，SLAC有一项积极的规划。
（4）500 GeV的直线碰撞器
斯坦福直线加速器中心对先进加速器的研究与发展的许多活动致力于对直线对撞器潜力的探索，并对此感到极大兴趣。下一个合乎逻辑的步骤是建立一座完全合格的直线对撞器。它能利用约500 GeV的合并能量（也许以后可扩大到1 TeV能量）去撞击电子和正电子。为此必须发展新的动力源、新的加速器构造和新射束聚焦系统来实现这一梦想，这将使科学家们能最终查明约150亿年前在宇宙诞生时，即在宇宙大爆炸后的最初的几个百亿分之一秒内（按宇宙大爆炸理论，此时温度在1000亿开氏度以上）存在的现象。