Различные ускорители частиц используют разные типы столкновений. Например, на БАК исследовали столкновения p-Pb, в то время как его предшественник (LEP) использовался для столкновения электронов с протоном, а в Фермилабе протоны сталкиваются с антипротонами.
В чем причина такого выбора? Понятно, что энергия здесь является решающим моментом, но почему, например, процесс столкновения электрона с позитроном менее интересен на БАК?
Это большая тема, и я даже не буду пытаться охватить ее все, но вот несколько моментов, которые помогут принять решение.
Электроны дают вам чистый зонд (вершина лептон-фотон или лептон-слабый бозон очень хорошо изучена.
Электроны на ядрах (как в JLAB) дают вам точный зонд параметров нуклонов или ядер при умеренных энергиях (в переходной области между нуклонно-мезонными степенями свободы и кварк-глюонными степенями свободы.
Электронно-позитронное рассеяние дает вам доступ к очень чистым и хорошо известным начальным состояниям. Очень полезно для точных измерений основных количеств вершин.
Протонам можно дать больше энергии для данной силы изгибающего магнита, чем электронам. Наиболее полезен для максимальной энергии в первичной вершине, но также дает вам доступ к взаимодействиям кварков и антикварков (через море нуклонов). Антипротоны (как в Тэватроне) добавляют несколько приятных изюминок, но с ними сложно получить много светимости.
Мюоны будут сочетать чисто вершинное преимущество электронов с некоторым энергетическим преимуществом протонов. Очень интересно, но дорого. Мюонный коллайдер всегда кажется тем проектом, которым мы будем заниматься после того, как создадим следующее поколение [других машин].
Тяжелые ионы дают вам доступ к нетривиальным объемам плотной высокоэнергетической материи во время столкновений (т. е. плазме кварков и глоунов). Предстоит многое узнать о правилах, управляющих поведением ядер, к которым трудно получить доступ при низких энергиях. RHIC был первопроходцем в этом вопросе.
В последние годы конструкция ускорителя стала более гибкой с точки зрения возможности обработки протонов или тяжелых ионов в одной машине, поэтому LHC был разработан для использования любого из них в любом пучке, что позволяет проводить три различных типа исследований с помощью одного коллайдера.
Различные типы машин делают разные вещи, и все они интересны. Это просто зависит от того, что вы можете сделать лучше , чем это было сделано раньше, или что вы можете сделать нового , и всегда, всегда , всегда зависит от того, сколько это будет стоить.
Интересной вещью, которую люди рассматривают для следующего поколения, является электронно-ионный коллайдер для выполнения работы, подобной JLAB, с энергией CoM на один-два порядка выше.
""""..... В чем причина такого выбора? Понятно, что энергия здесь имеет решающее значение, но почему, например, процесс столкновения электрона с позитроном менее интересен на БАК?.....""""
На эту часть вашего вопроса очень легко ответить. Электроны и позитроны имеют очень малую массу (510 кэВ), поэтому они очень быстро ускоряются даже в слабом электрическом поле и, как следствие, теряют энергию из-за электромагнитного излучения, если вы пытаетесь разогнать их до высоких энергий в ускорителе с круговой петлей.
Следовательно, линейные ускорители предпочтительнее для ускорителей электронов; что является причиной двухмильного линейного ускорителя Stanford Linear в Пало-Альто, Калифорния.
Протоны примерно в 1837 раз массивнее электронов и излучают меньше электронов при сравнимых энергиях.