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如上一回所说，粒子物理方面的许多重大发现往往是和高能加速器的发展分不开的，可见高能加速器是进行粒子物理研究必不可少的重型实验设备。在这些设备中，高能粒子束或者与静止靶碰撞（“固定靶”实验），或者与另一粒子束对撞，使两束粒子发生对撞的加速器称为对撞机。
粒子加速器依据的物理原理是带电粒子在电磁场的作用下获得能量。实际上，我们家中的电视机或计算机显示图像的显像管里就包含一个“加速器”，只不过是一个能量相当低的“加速器”，它加速的是电子，其中阴极发射的电子被加速后发生偏转并轰击屏幕而发光（图 2-1）。
图 2-1 显像管结构示意图
电子的能量用电子伏（eV）表示，一个电子经过电势差 1 伏特的电场加速后的能量是 1 电子伏，电视机的显像管中电场的电势差大约 1 万伏，所以电子轰击屏幕时的能量约一万电子伏，也就是 10 KeV。在粒子物理学中，能量使用的单位是兆电子伏（MeV）。根据质能原理E=mc 2 ，粒子物理学中的质量也使用这种单位。
从显像管的结构由小看大，一般粒子加速器应包括以下几个主要部分：（1）离子源；（2）加速系统，如静电场、射频电磁场、微波加速腔；（3）离子、电子光学系统；（4）粒子输运系统；（5）真空系统。
高能加速器的主要性能指标是用所加速的粒子的最高能量来表示的，通常分为低能加速器（能量为 10 8 eV）、中能加速器（能量在10 8 eV ～ 1 GeV）、高能加速器（能量在 10 GeV ～ 1 TeV）、超高能加速器（能量在 1 TeV以上）。高能加速器可以按不同的性能来进行分类，例如按所加速的粒子种类可分为质子加速器和电子加速器，按加速器的外形可分为直线型加速器、圆形加速器和环形加速器，按聚焦的方式可分为强聚焦加速器和弱聚焦加速器，按产生粒子流的强度可分为强流加速器和弱流加速器。
限于篇幅，下面仅简单介绍几种常见的高能加速器，我们先从回旋加速器讲起。
图 2-2 欧内斯特·劳伦斯
1932 年，欧内斯特·劳伦斯（E.O.Lawence）在伯克利设计和制造了第一台回旋加速器，为此他获得了 1939 年度诺贝尔物理学奖（图 2-2）。顾名思义，回旋加速器内被加速粒子的运行轨道为环形，在运行过程中周期性地被加速。
回旋加速器的核心部分是真空室中的两个D形的金属扁盒D1 和D2，称为D形盒或D形电极，它们沿着直径把一个扁盒切成两半，两盒之间留有缝隙，在缝隙中间圆心处放置粒子源（图2-3）。整个装置放在巨大的电磁铁两极（N，S）之间，磁场的方向垂直于D形盒的底面。若D形盒接到电源上，在缝隙里就会有电场，电场力能使缝隙中的带电粒子加速。由于静电屏蔽作用，每个D形盒内部的电场强度为零，带电粒子进入盒内就不再受到电场力的作用。当两个D形盒D1、D2 与高频交流电源相连接时，它们之间的电压将随时间不断改变。
图 2-3 回旋加速器的结构示意图
将粒子（例如质子）从盒子的中间注入，然后粒子开始沿盒子做圆周运动，磁场使其运动路径弯曲。当粒子完全在某一个半圆盒中运动时，通过切换电压的极性，可以使粒子从一个D形盒进入另一个D形盒时得到加速。由于粒子得到加速，它们的圆运动曲线半径越来越大，直到最后从盒子抽取出来，形成粒子束（图 2-4）。在全部过程中，磁场是固定不变的，图 2-5 为世界上第一台回旋加速器实物照。
图 2-4 质子加速时的运动路径
图 2-5 世界上第一台回旋加速器实物照
相信许多人在高中物理课上都学过回旋加速器，这里就不多讲了。
同步加速器是利用环形磁场加速带电粒子的加速器，其原理类似回旋加速器，被加速的粒子自始至终被约束在环形磁跑道里，粒子被加速的程度与磁场的能量增加幅度同步变化（图 2-6）。按被加速的粒子不同，同步加速器又可分为电子同步加速器和质子同步加速器。
图 2-6 跑道式同步加速器示意图
一般来说，同步加速器为跑道式结构，即由几个圆弧形磁铁段和几个直线段组成，注入、引出和加速系统均安放在直线段上。在质子同步加速器中，轨道磁感应强度是随时间的增函数，加速电压周期是随时间的减函数，二者满足严格的数量关系。电子同步加速器则不同，由于电子在能量不是很高时速度就已接近光速，因此高频加速电压的频率为常数，不需要调整频率。
根据磁场聚焦能力的大小，质子同步加速器可分为弱聚焦型和强聚焦型两种。强聚焦型能使真空盒尺寸减小到弱聚焦型的 1/10 甚至 1/20，不但减轻了磁铁重量，而且具有离子束强度大等优点。强聚焦中很重要的一步就是设计一个磁场，使得粒子保持在束流管中，一系列的四极磁铁对带电粒子起到聚焦作用。在带电粒子运行的轨道上，插入若干加速设备，粒子可得到周期性的加速，就像跑马拉松的运动员沿途不断得到观众的“加油”帮助一样。
20 世纪 60 年代，世界上有了两个大型的质子同步加速器：位于纽约长岛的布鲁克海文国家实验室的交变梯度同步加速器AGS和位于瑞士日内瓦的欧洲核子中心的质子同步加速器PS（Proton Synchrotron），它们分别能达到 30 GeV和 28 GeV的能量，这大约是当时最大的回旋加速器所能达到能量的 25 倍（图 2-7 ～图 2-8）。这些机器的直径大约 200 米，1974 年美籍华裔物理学家丁肇中率领的小组就是用布鲁克海文国家实验室的加速器发现了J/ψ粒子。近年，世界最大的质子同步加速器是美国费米国家加速器实验室的 500 GeV强聚焦质子同步加速器，它用了上千块磁铁，分布在直径 2 km的圆周上，磁铁质量为 9000 t。
图 2-7 布鲁克海文国家实验室鸟瞰
图 2-8 欧洲核子中心
在过去的几十年里，加速器固定靶实验已提供了许多宝贵实验成果，例如证实了中子和质子是由夸克构成的；发现第四种夸克（粲夸克）和第五种夸克（底夸克）；发现时间和空间对称破缺，而通常人们总是认为时间和空间的对称是基本的对称性；为认识强子的相互作用提供了一大批资料。
近年来，新的高能粒子加速器的建造使发现新的重粒子（例如W、Z、重夸克和新的轻子）得以实现，将来，更高能量的加速器将为发现更多新的粒子提供可能。
由于基本粒子非常小，不能直接对其研究，只能使用间接的方法，例如让两个粒子发生碰撞，从而确定碰撞后产生了哪些粒子。在 20 世纪 60年代以前，科学家用高能粒子去轰击静止的粒子，从而进行粒子物理研究，即所谓的固定靶加速器（图 2-9）。
图 2-9 固定靶高能物理实验示意图
两个相对运动的物体碰撞比一个物体静止、另一个物体用同样的速度来碰的碰撞作用要大得多，因此在高能物理学中实现的粒子之间的对头碰撞，其碰撞效果比打静止靶的高几百甚至几十万倍，能量越高，提高倍数更大。实现粒子之间对头碰撞的装置，叫作对撞机（图 2-10）。贮存环是一台环形加速器，由排列成环形的磁铁组成，用以储存沿环形运动的粒子束，并发出高品质的同步辐射。同步加速器加速出来的粒子沿相反方向交替注入两个贮存环，粒子束被磁场束缚在贮存环中，使它们各沿相反方向回旋并积累起来，当积累到技术上允许的最大强度以后，两股粒子束流在环的交叉区发生对撞。当两束粒子流相交时，一束流中绝大部分粒子仅仅同另一束流中的粒子擦肩而过，并不发生碰撞，它们继续在贮存环中回旋。粒子束可以在贮存环中回旋许多小时，每秒钟绕环回旋数千甚至数百万次。对撞机能进行质子和质子、电子和正电子，质子和电子之间的对头碰撞，可以不用贮存环，而利用直线加速器产生的粒子束流对撞。
图 2-10 粒子对撞机示意图
对撞机的一个性能指标是亮度，用来量度单位时间内粒子发生相撞的次数，每秒钟发生的相撞次数越多，对撞机就越有用。对撞机的另一个性能指标是截面S，表示两种粒子对撞的相对概率。
目前正在运行和设计的高能对撞机主要分为以下几类：
线性对撞机：主要指正负电子对撞机，目前正在运行的正负电子对撞机主要有中国的北京正负电子对撞机，质心能量为 3 GeV ～ 5 GeV；美国的PEP-II，质心能量为 10 GeV ～ 15 GeV；日本的KEKB，质心能量为 10 GeV ～ 15 GeV；等等。
强子对撞机：主要指质子—反质子对撞机和质子—质子对撞机，相对于正负电子对撞机，它更易于达到更高质心能量。正在运行的欧洲大型强子对撞机（LHC），质心能量可达 14 TeV，它将两束质子绕着周长 27 公里的环形轨道不断加速，是目前国际上正在运行的能量最高、规模最大的实验设备。
轻子—强子对撞机：主要指使高能电子—质子对撞的实验设备，只有德国汉堡的HERA属于此类对撞机，它于 1992 年开始运行，于 2007 年关闭。此外，利用LHC提供的高能质子束，即将建造的电子—质子对撞机被称为LHeC。
利用对撞机的实验已变得日益重要，有赖正负电子对撞机和质子—质子对撞机的研制和工艺的迅速发展，取得了可观的实验成果，例如正负电子对撞机上的实验有粲夸克的发现和意料之外的电子新“亲戚”——τ轻子，强子强喷注的发现为强力通过胶子传递的理论提供了许多证据。此外，质子—反质子对撞机也做出了重大贡献，成功地发现了弱力的传递者——W粒子和Z粒子。今后，质子—质子对撞机和质子—反质子对撞机将发挥愈来愈大的作用。
在粒子物理最近几十年的发展中，高能对撞机已成为占主导地位的实验设备，今后它将对标准模型更精确的检验以及新物理的探测起到越来越重要的作用。