本書為“十三五”國家重點圖書出版規(guī)劃項目“核能與核技術出版工程·先進粒子加速器系列”之一,服務于我國和世界未來高能粒子對撞機的設計、研究與建設的專業(yè)人群。主要內容包括高能粒子對撞機發(fā)展歷史、高能粒子對撞機及加速器理論基礎、高能粒子對撞機及加速器關鍵物理問題、高能粒子對撞機系統(tǒng)設計理論與方法、高能粒子對撞機的未來發(fā)展展望等。對于已經有一定經驗的專業(yè)研究人員,本書所包含的新研究成果與方法會成為其在專業(yè)上必不可少的高水平的重要參考書之一;對于新進入該領域的讀者,本書可以使其很快了解和掌握高能粒子對撞機及加速器相關前沿領域的新成果,獲得理論和實際研究能力的大幅提升。
高能粒子對撞機是粒子物理研究和探索宇宙深層次物質結構的最為重要的研究工具。高能粒子對撞機是一個復雜的加速器系統(tǒng),由各種加速器構成。對撞機加速器主要由直線加速器和環(huán)形加速器構成。對撞機加速器物理涉及直線加速器物理和環(huán)形加速器物理,相關加速器物理既涉及單粒子及多粒子運動規(guī)律,又涉及加速器結構中電磁場及帶電粒子與加速器結構之間的相互作用。對撞機加速器物理的特殊性在于需要研究相互對撞的粒子束中粒子的運動規(guī)律。描述對撞機加速器系統(tǒng)中的帶電粒子運動的哈密頓量既包含線性部分又包含非線性部分,既包含非周期運動又包含周期運動,在這樣復雜的單體和多體動力學系統(tǒng)中既存在穩(wěn)定運動也存在不穩(wěn)定運動和混沌運動。因此,對撞機加速器物理屬于加速器科學,研究和把握帶電粒子運動的物理規(guī)律需要建立一系列相關動力學理論和解析公式,需要采用相關程序進行數(shù)值計算研究。然而,對撞機加速器物理的核心還是相關的加速器理論,這個是對撞機優(yōu)化設計的基礎,也是采用程序進行數(shù)值計算,理解數(shù)值計算結果,進而與實驗進行比較驗證的基礎。
然而,自對撞機發(fā)明至今,盡管很多現(xiàn)象在實驗上得以發(fā)現(xiàn),并在數(shù)值計算中得以確認,但是很多關鍵的加速器結構理論問題、加速器粒子動力學問題、對撞束流的相互作用問題以及對撞機系統(tǒng)的優(yōu)化設計問題等均沒有得到深入有效的研究。即使在加速器物理研究的很多領域已經取得了重要成果,但是這些前沿知識只是停留在分散發(fā)表的文獻中,沒有得到系統(tǒng)的、教科書式的廣泛和有效的宣傳,使這些研究成果沒有及時得到應用,這個現(xiàn)狀令人有些遺憾。一直以來筆者就有為改變上述現(xiàn)狀寫一本專著的想法,主要是想盡可能全面深入地回答上述問題,為本領域的研究人員和學生提供一個可以借鑒的思路、理論和解析計算方法。
高杰,中科院高能物理研究所研究員、博導,中科院“百人計劃” 入選者,國家杰出青年科學基金獲得者;長期從事高能粒子對撞機加速器物理與技術,曾在中科院高能物理研究所建成了中國及亞洲第一臺微波電子槍系統(tǒng),建立了一系列國際先進水平的開創(chuàng)性理論及方法,不少方法在國際上都以他的名字命名;兼任亞洲直線對撞機指導委員會主席, CEPC加速器負責人,全國政協(xié)委員。