С целью получения более высоких энергий один за другим проектировали и строили ускорители. После эксплуатации старые ускорители заменяли новыми, более мощными. За линейными ускорителями последовали кольцевые, на смену им пришли накопительные кольца, в которых пучки заряженных частиц сталкиваются «лоб в лоб». Сейчас приступают к строительству нового накопительного кольца, которое, возможно, будет не только самым большим, но и последним ускорителем такой конструкции.
Одновременно разрабатываются планы строительства линейного ускорителя на встречных пучках — установки, которая может стать прототипом ускорителей нового поколения. Новый кольцевой ускоритель называется LEP (от англ. Large Electron-Positron collider). Он будет построен Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН) на территории, расположенной по обе стороны франко-швейцарской границы.
Кольцо ускорителя (с длиной окружности 27 км) будет находиться в тоннеле, который будет проложен под долиной между Женевой и горным массивом Юра и частично непосредственно под горами. В кольце энергия частиц будет достигать 50 млрд. электрон-вольт (ГэВ), а время их полного оборота составит менее одной десятитысячной доли секунды. Другой проект — это SLC (от англ. Stanford Linear Collider), линейный ускоритель на встречных пучках в Станфорде. Он дополнит уже действующие в Станфордском ускорительном центре (SLAC) установки.
Энергия пучка частиц в нем также будет достигать 50 ГэВ. По плану строительство ускорителя LEP будет завершено в 1987 г. Ускоритель SLC должен быть построен в 1986 г., если, конечно, средства на осуществление этого проекта будут выделены в 1984 г. Задача ускорителя — преобразовывать кинетическую энергию частиц в массу и тем самым создавать новые формы вещества. В настоящее время большинство физиков подразделяют фундаментальные составляющие вещества (кварки и лептоны) на три поколения.
Все представители первых двух поколений экспериментально обнаружены, но две частицы из третьего поколения пока еще на наблюдались: кварк (от англ. top — верх) и лептон, называемый т-нейтрино. Они относятся к частицам, которые, может быть, будут обнаружены с помощью новых ускорителей на встречных пучках. В списке частиц, открытия которых физики ждут с нетерпением, есть также промежуточные бозоны, ответственные за перенос взаимодействий между кварками и пептонами; среди них наибольший интерес вызывает нейтральный Z/0-бозон.
В современном линейном ускорителе заряженные частицы инжектируются в длинную трубу, где поддерживается вакуум и где они ускоряются электромагнитными полями, создаваемыми сотнями и тысячами ускоряющих резонаторов. Частицы бомбардируют неподвижную мишень, расположенную в конце трубы. Предельно достижимое значение энергии пучка частиц определяется лишь стоимостью ускоряющих резонаторов и связанных с ними радиочастотных источников энергии. Давно известно, что достичь более высоких энергий при меньших денежных затратах можно в кольцевых ускорителях, где резонаторов гораздо меньше, но частицы проходят через каждый из них многократно.
На круговой траектории частицы удерживаются полем отклоняющих магнитов, чередующихся с ускоряющими резонаторами. В конечном счете пучок выводится из ускорителя и направляется на мишень. Наиболее распространенный тип кольцевого ускорителя — это синхротрон. Когда частица сталкивается с неподвижной мишенью, большая часть ее энергии проявляется не в виде массы, а как кинетическая энергия вторичных частиц, рожденных в этом столкновении. Если же сталкиваются две частицы, движущиеся навстречу друг другу, то вся их кинетическая энергия превращается в массу. На этом основан принцип действия накопительных колец.
В простейшем накопительном кольце сталкивают электроны и их античастицы — позитроны. Поскольку частица и античастица имеют одинаковую массу и заряды противоположного знака, их можно, направив в разные стороны, приводить в движение с помощью единой системы ускоряющих резонаторов и отклоняющих магнитов. Там, где вращающиеся в противоположных направлениях пучки встречаются, происходят столкновения частиц. Энергия столкновения равна сумме энергий пучков.
За последнее десятилетие построено несколько электрон-позитронных накопительных колец. В самом большом из них энергия столкновения составляет около 38 ГэВ, и сейчас ее повышают до 40 ГэВ — тогда могут стать доступными частицы, в состав которых входит t- кварк. На ускорителе LEP (с энергией электронного и позитронного пучков до 50 ГэВ) энергия столкновения достигнет 100 ГэВ. Этот диапазон интересен тем, что в нем лежит масса 20-бозона, равная, согласно теоретическим расчетам, 94 ГэВ. Возможно, Z/0 будет обнаружен раньше, чем построят LEP.