通过X射线跟踪原子的化学反应，观察汽车催化变换器内部，或者活的细胞内发生的情况，利用新的TESLA X射线激光器均可作到。TESLA X射线激光器产生高流强超短X射线带有激光特性的闪光。4公里长的电子加速器驱动几台新的X射线激光器，它们的峰值亮度比现代X射线激光器高10亿倍，时间分辨率高1000倍。闪光的延续时间低于10-12秒，波长小到甚至可以识别原子结构，波长可在6-1/10 毫微米范围内变化。 

　　这种短的难以想象的X射线脉冲能够使科学家将来自微观世界的东西记录下来– 比如监视一个化学反应如何进行，或固体是如何形成的。 

　　TESLA X射线激光器的峰值亮度比甚至最现代的X射线激光器高10亿倍，时间分辨率高1000倍，X射线闪光不大于100飞秒。这是形成化学键和分子组重新定位的时间期限。X射线的波长很短，甚至原子结构都可辨认出来。

　　在飞秒化学领域，研究人员与一秒中的点滴时间打交道，旨在跟踪化学反应过程。飞秒代表两个分子发生反应时在原子级发生变化的时间范围。超快激光器像个瞬时“拍照”化学反应的“照相机”，暴光时间为飞秒。原理是初始的激光脉冲触发光化学反应，然后第二个脉冲立即将其照明。第二个闪光必须精确可调，以便在完全确定好的时间触发“拍照”。这样按第一和第二个束流之间可变间隔拍下的瞬时照片形成反应过程的图像（左图）。 

　　TESLA X射线激光器产生一个极强的X射线束流，并可出色地聚焦。它可以做出微观世界的图像，其细节和时间分辨率前所未有和无可比拟。TESLA激光器产生的一个单个激光闪光的亮度非常高，高到它可生成具有原子清晰度的反应分子的图像，闪光延续时间约为100飞秒 – 这是分子之间发生反应中变化的时间。两个激光闪光之间的间隔，即触发脉冲和图像脉冲之间，可系统地和精确地调到10-12秒。TESLA激光器的闪光可以跟踪和了解化学反应的精确机制 – 譬如可在光电子学，光电和燃料，或太阳能电池方面找到应用的反应。

　　利用粒子加速器产生的强X射线,现在可以详细地分析生物分子结构。但是，为做到这一点，需要“生成”一种尽量多的分子组成的硬晶体 – 这种晶体通常溶于水。只有在晶体里，每个分子的信号才能相互加强，形成可用的图像。问题是这些信号的形成非常困难和复杂，约有一半相关的生物物质甚至不能生成晶体。（左图为蛋白质DNA 集合体）

　　TESLA X射线激光器开创了崭新的机会，以后无须额外生成晶体这一步，就可解密生物分子。X射线激光强到它们可以用来形成单个分子组合体的高清晰度图像。由于闪光的延续时间不大于100飞秒，在强X射线损坏样品之前，就足以能产生图像。即使利用现代技术，研究大分子组合体也极为困难。TESLA X射线激光器开辟了捕获更大的像单个病毒粒子这样的生物结构的图像，超短X射线闪光也使随时瞬时观测分子的运动成为可能。对这些在分子级感染进展方面的新了解，也代表了为开发新药打下的实质性的基础。（右图为结构生物学） 

　　材料研究: 开发新材料 

　　摩擦对制动来说是极为需要的，但对轮子的滚动和马达的平滑运转则不需要。为开发和改进材料，材料研究人员需要了解摩擦过程和原子级的磨损情况。例如，在用来降低材料磨损的润滑剂薄膜里，发生所谓的“卡住-滑动摩擦”。“卡住”和“滑动”的交替变化，可能是由轮番凝结和溶解的非常薄的膜引起的。利用X射线可详细地对这些状态的变化进行检查。但是，这些膜极其薄。另外，从技术上讲，另人感兴趣的材料，如金属和陶瓷只在极小的区域是平的，这些区域是获得图像的地方。（左图为原子水平的摩擦） 

　　现在用的X射线源不能“看见”这样的小结构，但TESLA X射线激光器可以。除此之外，这些激光器产生的极短脉冲可使测量不时地在很短时间内进行，这样就好象在一部电影里一样，不时地对“卡住-滑动摩擦”的动力学进行研究。TESLA激光器产生的X射线脉冲，可用来研究材料的动态状态和各种状态间的快速变化。这也是为未来电子学开发纳米区一定规格材料的基础。

　　团簇物理　

　　12个五角形和20个六角形：古典的足球形状。用碳原子替代一块块皮子，形成“足球分子”，或“巴基球”，用科学术语来说，形成富勒烯。分子足球完全是一种非同寻常的碳，属于组团类，也就是由原子或分子组成的小块。它太小构不成晶体，簇团状态的物质具有完全新的常常出乎人们意料之外的特性。

　　例如，碳球和碳管可作为半导体，是纳米技术部件富有希望的后选者。（左图为簇团示意） 

　　在TESLA激光器产生的强射线中，簇团可显示出其大量的非同寻常的物质特性。高亮度是必要的，因为许多簇团可仅以高度稀释过的气体射流形式形成的。为利用X射线光记录和测量少量原子或分子簇团，物理学家们必须以来自TESLA超强激光脉冲的形式将簇团进行强曝光。 

　　一个国际合作组的科学家们已经在《自然》杂志上发表了在DESY测试设备上利用自由电子激光开展的第一个团簇实验。利用惰性气体原子的团簇，研究人员首次用自由电子激光产生的强X射线辐射研究了在极短时间内物质的相互作用。（右图为在自由电子激光器上开展团簇实验的示意图）

等离子体物理　　

　　水是液体，冰是固体，气是气体，这些众人皆知。固体内，原子和分子多数是按有规则的晶体结构排列的。在液体里，它们比较松地组合在一起。而在气体里，它们可或多或少地自由运动。但是，有第四个似乎更异乎寻常的物质态，即等离子态。等离子体由热的电离的气体组成。（左图为等离子体物理图示）该态在我们环境正常温度下不存在，但当温度达到几百度时，原子开始电离，即电子从原子壳层中被打出来（右下图）。然后热的气体变得能够导电，等离子体等粒子物理形成。

直线对撞机探测器　

　　在像TESLA这样的直线对撞机里，正负电子在极高能量时发生对撞。在隧道的正中间，每个由100亿个粒子组成的束团每秒彼此对撞14000次。对撞中，正负电子互相湮灭，变成为纯粹的能量，在此过程中，正像大爆炸一样，形成新的基本粒子。借助探测器的帮助，物理学家们可以看到这些反应。探测设备像个4层楼高的建筑物，放在8层楼高的室内，布满了高技术设备。从发生无数次的对撞中，探测器找出真正物理学家感兴趣的那些少数事例。这真是犹如大海捞针。然后再对这些“事例”进行准确测量。（左图为探测器中粒子对撞的示意） 

　　粒子对撞机探测器由各种探测装置组成，这些探测装置像洋葱那样，在粒子对撞点周围一层一层地排列。洋葱的内层是径迹探测器，它们记录和测量带电粒子留下的轨迹。磁场引起粒子轨道的弯曲，这样它们的动量就能确定。顶角探测器靠近束流管道，它精确地确定粒子对撞点（“顶角”）的径迹和位置。周围是充满气体的径迹室。（右图为粒子物理探测器示意） 

　　探测器的中间层是量能器，它们确定粒子的能量和飞行方向。电磁量能器测量电子、正电子和光子的能量。强子量能器测量质子、中子和其他由夸克（强子）组成的粒子。外层探测μ子。μ子是能够穿透所有其他探测器外层的粒子。

深入物质的内部结构　

　　利用像TESLA这样的正负电子直线对撞机，粒子物理学家们就可以准确地探索150亿年前宇宙初期发生的情况。超导加速节使正负电子的能量各自达到250 GeV, 这些电子在其运行的轨道中央部分发生对撞，对撞时的能量相当于大爆炸后10-12秒的能量。然后粒子和反粒子相互湮灭，形成一个小的纯粹能量的“火球”。从这一能量，自动产生各式各样的基本粒子，包括物理学家们希望大力寻找的“黑格子”，或“超对称”粒子。（左图为物质与反物质对撞示意） 

　　黑格子粒子– 使世界具有重量 

　　寻找尚未发现的黑格子粒子，理由充分。因为没有它，就没有质量。根据目前人们的看法，物理学家Peter Higgs（右图）提出的理论解释了最初无质量的粒子是如何获得质量的。根据这一理论，这个宇宙布满了黑格子磁场，粒子与这个磁场相互作用越强，它具有的质量越大。黑格子磁场的存在应该由伴随的黑格子粒子的存在暗示出来。 

　　寻找黑格子粒子在继续进行，但至今仍未找到。该粒子的质量一定极大，超过100 GeV. 如果不是这种情况，那么在现有的加速器中当然也就早已发现这一粒子了。另一方面，现在的结果和理论上的考虑，暗示黑格子粒子的质量不可能大于300 GeV。这意味着黑格子粒子可能在费米实验室TeV能级加速器的能区范围内，当然也可能在CERN现在建造的LHC的能区范围内。 

　　发现黑格子粒子将引起轰动，但为真正解释质量产生的机制，就需要准确地确定粒子的特性。这就是像TESLA这样的正负电子直线对撞机的力量所在。由于其高的“对撞率”，也就是说，对撞粒子的数量，像这样的对撞机就是个可验证的“黑格子工厂”。 

　　超对称理论 

　　根据目前可以接受的粒子物理理论，我们的世界是由“物质”粒子 和“力”粒子组成的，它们按不同的方式运转着。为什么存在着不同呢？为对此做出解释，超对称理论预言：每个物质粒子都有一个像传播力的玻色子那样的伙伴，同样每个传播力的玻色子也有一个像物质粒子那样作用的伙伴。取消物质和力之间的严格差别，将会简化对自然界的描述。粒子物理的最终目标是对所有力做出统一的解释。超对称理论使自然界的三个基本理论 – 电磁力论，弱力和强力统一成为一个理论。只有当物理学家在其计算中将超对称粒子包括进去时，这三个力才能在无法想象高的能量时（比现在的加速器所达到高10亿倍）强度变得相同。左图为超对称理论（左为标准粒子，右为超对称粒子）。 

　　“少既多”是粒子物理学家的格言。他们试图简化物质世界的理论，以便使它们涉及可能最小数量的基本粒子。然而，超对称似乎是个例外。超对称理论使基本粒子的数量增加了一倍，因为每个“正常的”的粒子都应该有一个超对称的伙伴。使人感到惊愕的是，实际上它使得世界更易于了解。 

　　到目前为止，超对称粒子仍未发现，但许多迹象都表明它们的存在。最轻的超对称粒子可能在像LHC 或TESLA这样的未来加速器中发现。正负电子的一大优点是，物理学家们不仅能够找到这样的粒子，而且能够精确地测量它们的特性。只有这样，才能正确理解超对称的结构。

　　超弦　

　　在物理学家们试图了解自然界所有力中人们最熟悉的引力时，出现了像超弦和额外维这样的新奇概念。由于爱因斯坦，可以在宇宙的规模上对引力进行非常准确的描述，但它根本不适用于微观世界的现有理论。问题的答案可能在于超弦理论。它统一了对所有粒子和自然界包括引力在内的所有力的描述。超弦理论预言了一个与引力特性匹配的粒子，即尚未发现引起重力的交换粒子。 

　　根据超弦理论，所有被粒子物理界通常认为是单个点的基本粒子，失去了作为物质基本组成部分的地位。然后只有一个基本组成部分超弦了。像一根弦震动形成的音调一样（右图），各种粒子，如电子，夸克，光子，等等，从一个基本超弦的各种震荡状态产生（左图）。　

　　超弦不能在我们的四维中（空间三维和时间维）存在，它们需要10维，或者甚至11维。但这些额维怎么就不能被现在的测量装置探测到呢？唯一的解释是它们一定缩拢了，变得极小。

超弦理论自动预言世界是超对称的。这是引起人们极大激动的另一个原因。由于激动，粒子物理学家们正在等待发现超对称粒子。像TESLA这样的正负电子直线对撞机可产生和精确测量超对称粒子，从而为实现包罗万象的统一所有基本力和粒子的理论铺平道路。（右图为额外维）

　　宇宙中的粒子：大爆炸和暗物质　

　　150亿年前，随着一场巨大的爆炸，宇宙诞生了。一个微小极热和充满能量的时空区域在10-12秒的时间内发生爆炸，从压缩的能量中产生物质和反物质，原子，分子，老鼠和人类。 

　　将来有了直线对撞机，物理学家们可以跟踪大爆炸后10-12秒内发生的情况。这是因为当正负电子对撞时，这些粒子相互湮灭，形成纯粹的能量。能量浓缩像大爆炸开始后10-12秒时那样强。正像大爆炸本身那样，该能量自动生成各种基本粒子。因此，物理学家们可以模拟宇宙开始时的情景，通过实验对其全面加以研究。 

　　我们看到的仅是宇宙中实际存在的物质的一小部分，其余的是由所谓的暗物质组成的。它看不见，其组成部分与组成恒星，行星和人类的物质截然不同。该暗物质一定存在，因为如果不存在，那么无数次对银河系和天体运动的观测结果就不能解释。宇宙的前途也依赖这一暗物质，也就是说，宇宙是否会无限制地膨胀下去，或某时被引力停止和向本身塌陷下去。引力的强度取决于宇宙总的质量，这方面，我们仍一无所知。人们不知到暗物质是由什么组成的，但超对称粒子可能会提供答案。利用像TESLA这样的正负电子直线对撞机，可能会发现这些粒子，并且被人们所了解。（左图为通往宇宙起源的路程）

　　TESLA和LHC：一块硬币的两个侧面　

　　CERN正在建造一台大型环型质子加速器，即大型强子对撞机（LHC），应于2007年完工。LHC和正负电子直线对撞机TESLA在能力上相互补充。LHC加速质子，这些质子因具有高的质量和获得大量的能量。当它们对撞时，所产生的能量本身又产生大量的新粒子。因此，LHC真的是一台做出发现的加速器。缺点是因质子由几个夸克组成，当质子对撞时，它们大量的基本组成部分飞向所有各个方向。这为准确测量新形成的粒子造成困难。

　　在直线对撞机中，点状粒子电子与其相同的点状反粒子正电子发生对撞。两种类型的粒子相互湮灭，变成纯粹的能量，从纯粹的能量中可形成新的粒子。因准确地知道可产生新粒子的起始条件，对撞粒子的碎片不存在，其结果比质子对撞的结果更易于解释。因此，直线对撞机是一台精确的机器，用它可非常准确地测量新粒子的特性，包括如质量测量，寿命测量，自旋和量子数的测量。还因为高“对撞率”，直线对撞机能够大量产生新的粒子，而且记录的数据越多，结果越会准确。 

　　LHC和TESLA彼此补充。它们具有不同的强项，探索同样问题的不同方面。（左图为粒子轨迹）

　　TESLA粒子物理：物质的起源　　　　　　　　　

　　150亿年前，在巨大的爆炸中（又称大爆炸）形成了宇宙。一个极热充满能量的微小区域在不到10-12秒的时间内爆炸。这一浓缩的能量产生物质和反物质，最后是原子，分子和生命本身。 

　　利用TESLA，粒子物理学家们可更准确地跟踪大爆炸刚发生后发生的情况。新的超导加速节，即所谓的共振器将正负电子的能量各加速到250 GeV. 粒子在33公里长的TESLA环的中部发生对撞。事实上, 这些能量与宇宙存在的10-12秒时间内的能量相同。粒子与反粒子相互湮灭，产生一个小的浓缩能量的“火球”。像大爆炸的情况那样，从这一能量中自动产生大量的各式各样的基本粒子。其中有些粒子，特别是“黑格子”和“超对称”粒子科学家们正在寻找。（左图为探测器的粒子对撞）

TESLA的创新：超导技术　

　　金属铌冷却到-2640 C（这种温度只在外部空间才有）后，便失去所有电阻，导电时不损耗任何能量。这种特性称为“超导”。由于超导，TESLA加速器中的粒子可被加速到所需要的对撞速度。TESLA工程的部分项目涉及开发超导铌加速节，即所谓的共振器，使其达到必需的能量。与TESLA有关的工作，经与工业部门的合作，在高频超导技术方面取得了重大进展。在地下TESLA隧道里，沿着整个加速器，通过将加速节冷却到-2710C使其成为超导加速节。（左图为在超净室中加工TESLA共振器） 

　　超导技术的优点是：共振器壁上的功率消耗可以忽略不计，几乎所有的功率都可传送给粒子，这就大大降低了能量损耗。另外，这样产生的束流具有极高的质量，因为没有电阻的共振器可以做的比通常因产生少量干扰磁场所做的大。 

　　加工TESLA的超导铌共振器是时，甚至几个极小的灰尘颗粒都可造成大的破坏。如果表面被灰尘弄脏，这些小点使得周围空间里的电场集中在表面这些点上。这样，电子会从金属中逃离出来，只在其它地方与其再次发生对撞。这引起热量的产生，导致丧失超导。为避免此种情况发生，在超净室内加工和安装加速器部件。超净室比正常城市空气发现的灰尘低10万倍。

超导的优越性 

　　X射线激光器的超导　

　　TESLA超导加速器技术为独特的光源，即产生带激光特性的X射线辐射的自由电子激光器创造了理想的条件。当从直线加速器来的高能电子通过一个特殊的磁铁结构时，产生激光束流。TESLA加速节为此目的，即很小束流截面和高束流功率，提供所需高质量的电子束流。采用超导直线加速器作为X射线激光器的驱动器，在世界上独一无二。 

　　直线对撞机的超导 

　　TESLA区别其它直线加速器设计的是它采用了超导技术。TESLA加速节使形成最佳质量，具有很小束流截面和高束流功率的粒子束流成为可能。这意味着被加速的粒子的高对撞率可以实现，这是发现新粒子的理想前提条件。（左图为超导共振器） 

　　除TESLA外，美国SLAC计划建造下一个直线对撞机（NLC），日本KEK计划建造日本的直线对撞机（JLC），CERN正在从事自己紧凑型的直线对撞机（CLIC）的设计。CLIC在约3TEV高能量时运行，但现在不会马上建造，要再等10年，直到TESLA，NLC和JLC的研制工作完成以后在建。NLC和JLC以正常导电的铜加速节为基础，而TESLA则采用超导的优越性。

　　1992年以来，来自全世界的科学家在DESY的测试设备上为TESLA的两个项目开发未来的技术。共有9个国家41个研究所参加了预制研究工作，直到2001年3月发表TESLA的设计报告。参加合作的国家和单位继续增加。另外，自2002年1月开始，DESY在ZEUTHEN的分部利用光阴极注入器测试设备（PITZ）运行一台小的直线加速器，开发和优化激光驱动高频电子源，因为TESLA的两个项目需要这些高频电子源。 

　　在汉堡的TESLA测试设备由一个电子源，一个超导加速节和一个磁铁结构组成。在磁铁结构中，被加速的电子被感应产生X射线激光的闪光。在这一测试设备上取得的成果是通往TESLA两个项目的里程碑。（左图为 TESLA 测试设备） 

　　·　与工业部门合作，已开发出超导加速器部件。这些部件的加速梯度达到25MeV/米，满足了500 GeV TESLA直线对撞机例行运行所需的梯度。另外。每米的造价可降低4倍。　

　　·　 除此之外，在几个9单元的TESLA共振器里，加速场达到 35 MV/m。这一梯度使加速器在最高达800 GeV运行成为可能。 

　　·　 通过采用新的方法，为TESLA X射线激光器首次产生预期的短波长紫外激光束流，在紫外线区域，也可把光最大放大到1000万。这意味着在超紫外线范围内激光的峰值亮度相当于现有最佳光源的1000倍。　

　　·　 2002年12月，一个国际组的科学家在自然科学杂志上发表了利用测试设备上的自由电子激光所做的首批实验中的一个实验结果。科学家们利用小的惰性气体簇团首次研究物质与具有来自自由电子激光强X射线辐射在很短的时间范围内的相互作用。　

　　2003年，100米长的测试设备将延长到260米。完工后，将有5个新的实验站可用于研究，电子激光在软X射线范围内。同时，测试设备将用于超导直线对撞机的开发工作。 

　　安全与环境 

　　TESLA加速器既不产生噪音也不产生有害气体，而且不能爆炸。但在运行中，的确产生辐射。为此，任何人都不准靠近，也就是说，在运行中不准进入隧道。因TESLA的隧道位于很深的地下，到达地面的辐射量微不足道。地面的辐射量低于我们环境中总是存在的自然背景辐射的1/10，隧道之上地面大部分的辐射量 则不到1/100。这一数字以DESY的科学家们的计算和获得的经验为基础，其他研究单位所单独做的实验对此予以了证实。 

　　如果运行中发生问题，将立即中断加速粒子。当加速器运行时，正好在粒子对撞以后，此时隧道中仍然存在的正负电子将偏转到地下深处的一个束流吸收器里。该束流吸收器是个大的钛罐，里面装有11立方米的水，放在一个孤立的周围是厚的钢筋水泥墙的室内。这使粒子减速并俘获粒子。即使运行中出现问题，辐射也进入不到环境里。因此，TESLA建在居民区地下很安全，对环境不构成威胁。DESY在加速器靠近居民区的运行方面具有丰富的经验。 

自由电子激光 

　　在真空紫外和软X射线区波长短到6纳米的“自由电子激光”正在DESY 的TESLA兴建。它以“自放大自动发射”方式运行，产生亚皮秒辐射脉冲，峰值功率达千兆瓦。目前，已经观测到了激光，波长为80纳米。这是利用自由电子激光向来获得的最短的波长。利用这种独特的辐射，在波长约100纳米时开展了首批实验。2001年9月，实现了该波长自由电子激光放大饱和。 

　　另外，提出了在TESLA工程中建立研究波长在0.1纳米以下的X射线自由电子激光室。 

　　因脉冲短峰值亮度高，这些自由电子激光将为基础研究和应用研究开辟新的途径，如使科学家深入了解到目前为止仍属未知的物质特性。　

　　左图为自由电子激光用户装置实验厅（ 28c楼）和TESLA测试设备第二阶段延长部分的隧道（地面由草覆盖）。右上角的厅内放着TESLA测试设备第一阶段的自由电子激光的鸟瞰图。