从20世纪60~90年代, 粒子物理在近半个世纪的时间得到了飞速的发展. 期间, 正负电子对撞机从最初的0.5 GeV迅速提高到209 GeV, 规模也从桌面级的3 m周长增加到27000m. 2012年7月Higgs粒子的发现给粒子物理的研究与发展带来了又一次历史新契机. 目前, 国际对ILC, CLIC, LEP3, TLEP以及我国自主提出的CEPC等多个未来正负电子对撞机方案进行深入研究.
图1 在1964 年拍摄的AdA 照片。提起正负电子对撞机, 不得不从AdA(Anello Di Accumulazione)开始谈起. AdA是国际上第一台正负电子对撞机, 它于1960年在意大利Frascati实验室开始建造, 1962年在法国奥赛(Orsay)的直线加速器研究所(Laboratoire de l’ccelerateurLineaire, LAL)开始运行.具有较小的尺寸, 周长3 m, 可以看作桌面级设备. 其结构采用了单环设计, 质心最高碰撞能量在500MeV.
经过近40年的高速发展, 从20世纪90年代开始,能量前沿正负电子加速器进入一个发展相对缓慢的时间. 取而代之的是, CERN在LEP隧道的基础上, 建造了目前世界上最大的质子对撞机LHC, 并于2012年发现了标准模型中最后一个、也是最为重要粒子之一的“上帝粒子”, Higgs, 成为物理学史上的一个里程碑, 也成就了粒子物理学中的第20个诺贝尔物理学奖. 由于LHC为质子加速器, 存在着局限性, 对于Higgs粒子的一些重要性质无法精确测量, 需要更精准的探测手段进行补充. 因此, 国际上多种方案被提出.
图2 世界对撞机的发展。20世纪下半个世纪, 正负电子对撞机得到了飞速的发展, 从1960年AdA开始建造, 到1990年LEP-II的升级, 经过20多年, 质心最高碰撞能量从最初的0.5 GeV迅速提高到209 GeV. 粒子物理也得到了飞速的发展,除Higgs外, 标准模型预言的其他所有粒子都被发现.但另一方面, 对撞机的大小和成本也随之迅速增加,从AdA周长仅有3 m, 发展到LEP的周长为27000 m, 这也成为1990年后对撞机发展速度减缓的一个原因.
国际直线对撞机ILC
国际直线对撞机ILC(International Linear Collider)是由国际未来加速器委员会发起的一项大规模的国际合作计划项目.
ILC将建造在总长约30 km的地下隧道里, 由2个11.3 km长的直线加速器分别将正负电子加速到250或500 GeV的能量实行碰撞, 质心系能量达到500GeV或者到1 TeV. ILC基于1.3 GHz射频超导加速技术, 整体示意图如图3(a)所示.
经过全世界300多个研究机构, 1600多名科研人员的努力, ILC已于2013年6月正式发布了技术设计报告. 目前, 日本正在积极争取作为ILC的承建国,并已进行了ILC候选地点的地址勘探等工作.
图3 ILC (a)和CLIC (b)的总体示意图.
紧凑型直线对撞机CLIC
CLIC(Compact Linear Collider)是由CERN主导设计的紧凑型加速器, 其能量范围在0.5~5 TeV, 机器优化主要集中在3 TeV, 由来自于22个国家40多个研究机构参与设计. 采用双束加速方法, 如图3(b)所示, 由主束系统和驱动束系统2个部分组成. 其中驱动束系统产生12 GHz的尾场, 转换成高频功率,供主束系统对粒子进行加速. 该加速器设计总长48.4 km. 目前已完成了概念设计报告.
正负电子对撞机LEP3
在讨论LHC升级方案时, 所提出的在现有隧道中与LHC并排架设新的加速器, 用来进行正负电子束的碰撞试验. 为了与先前LEP, LEP-II加以区别,被提议命名为LEP3(http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/aug/06/physicists-unveil-plans-forlep3-collider-at-cern). LEP3将由2个独立的加速环构成, 采用常温加速结构, 拟用每束120 GeV的能量产生希格斯玻色子, 质心能量为240 GeV. LEP3的建造将利用现有LHC的隧道及现有设施, 因此将大大节约成本, 这也是LEP3相对于ILC, CLICK等项目的优势之一. 此外, LEP3还将进一步推动当前高亮度技术的进步.
极高能大型正负电子对撞机TLEP
对环形加速器而言, 增加半径是提高能量的重要方法之一. 如果想要超越LEP3的能量, 就需一条新的隧道. 因此, 有人提出在日内瓦湖的下方开挖更大的, 周长为80~100 km的新隧道, 安装1个极高能量的正负电子对撞机, 称为极高能大型强子对撞机TLEP. 这台机器对撞质心能量可高达350 GeV，见图4(a).
我国自主提出的正负电子对撞机CEPC
2012年9月, 在“第二届中国高能物理加速器物理战略发展研讨会”上, 中国科学家提出了建造周长在50~70 km环形加速器的建议. 并在初步预研工作后, 对该项目给出了较为全面的介绍[53,54]2). 该项目一期工程为质心能量为240 GeV的高能正负电子对撞机CEPC(Circular Electron Positron Collider), 作为Higgs工厂, 对Higgs的物理性质进行精细的研究. 将来, 可在同一隧道建造质心能量为50~100 TeV的强子对撞机(SPPC). 按目前方案考虑, CEPC周长约为50 km, 根据其预研情况,最后可能达到100 km. 如图4(b)所示.
图4 TLEP建造示意图(a)及CEPC 隧道长度及孔径大小比较示意图(b). CEPC 背景为北京环路地图, 仅用于尺寸参考并不代表实际位置
除了地下隧道工程, 地上也将建成包括一个面积约为5000亩的现代化实验园区, 以及若干个百亩量级的实验分部. 地下实验大厅和地表部分将通过若干直径为20 m左右的大型垂直孔道相连, 以运送对撞机和探测器部件在隧道里安装. CEPC地表部分除实验区、工作区外, 还将建立伺服区, 给CEPC项目的供电、冷却以及通风提供重要保障. CEPC实验园区将可容纳数千或上万名科学家和工作人员, 因此, 园区将包括相应工作、生活和服务设施(办公、会议场所、食堂、招待所、医疗急救、消防抢险设施等).
CEPC建成后将成为加速器技术、探测技术和粒子物理的国际研究中心, 形成一批多学科交叉研究的创新平台, 成为培养高水平研究生与博士后教育的基地, 也将聚集一批国内外高新技术企业. CEPC研究中心采用国际一流科研机构的运作模式, 与世界各国在科技合作、人才培养、科技交流、联合建立科研机构等方面展开实质性合作, 最终成为一个国际科学城, 促使我国科技水平进一步提高, 使高能领域走在世界的前列.
目前, CEPC前期预研工作已取得重要进展，2014年底完成CEPC-SPPC初步概念设计报告，并于2015年3月完成了初步概念设计报告的国际评审. CEPC初步概念设计工作由9个国家57个科研机构的研究人员参与，国内高能所、清华大学、北京大学、上海交通大学、中国科技大学等35个科研机构参与.世界各地463名科学家、研究生在CEPC网站注册签名参与并支持这一工作.
对CEPC的评价
CEPC的提出引起了国内外的巨大反响. 2013年6月12~14日, 主题为“下一代高能正负电子对撞机:现状与对策”的香山科学会议第464次学术讨论会在北京香山饭店召开. 来自全国11个单位的35位高能物理和加速器领域的专家学者应邀参加了会议, 与会专家围绕“下一代高能正负电子对撞机粒子物理理论”、“直线对撞机及Higgs工厂加速器”、“直线对撞机及Higgs工厂粒子物理实验和探测器”、“我国的下一代高能正负电子对撞机对策”等中心议题进行了深入交流与讨论. 与会专家达成共识: “环形正负电子对撞机Higgs工厂(CEPC)+超级质子对撞机(SPPC)”是我国高能物理发展的重要选项和机遇, 应立即组织队伍, 开展方案设计, 研究关键问题, 探讨实现路径, 尽快完成可行性研究报告.
2013年12月16~17日, “未来高能物理环形对撞机国际研讨会(International Workshop on Future HighEnergy Circular Colliders)”在中国科学院高能物理研究所召开. 2004年诺贝尔物理学奖得主David Gross教授做了大会特邀报告, 他高度评价了中国的CEPC,认为这将毫无疑问地把中国高能物理研究推动到世界的领袖位置. 未来高能环形对撞机将在21世纪的物理中起到至关重要的作用.
2013年12月Nature杂志2013年度回顾专刊发表了以“粒子物理: 共同走向下一个前沿(Particle physics:Together to the next frontier)”为题的评论文章.文中指出: “中国角色的改变增加悬念. 中国在粒子物理学历史上是个小角色, 它2012年在反应堆中微子物理学方面以令人印象深刻的成果走上了世界舞台”. 令人鼓舞的是, 中国可能通过承建100TeV的机器超越世界吗? 机器建设在中国是便宜的,尽管中国需要世界其他国家帮助设计和建造. 如果中国真跑到了前头, 随着新兴经济瞄准竞争, 这将会改变世界科学的格局.
David Gross教授说: “我把这个梦想叫做‘中国的伟大加速器(The Great Accelerator)’, 这会和万里长城(The Great Wall)一样引人瞩目. 它会比万里长城的作用更大, 会在科学技术各领域有突破和发现. ”
本文由刘四旦摘编自: 高杰, 靳松. 能量前沿正负电子对撞机的研究进展.《科学通报》，2015 年5 月 第60 卷 第14 期1256,经作者审定。
【论文摘要】欧洲核子研究中心在2012年发现了希格斯玻色子, 成为物理学史上一个新里程碑.目前,全球高能物理界正在积极推动下一代高能正负电子对撞机的预研工作, 以便对新发现的希格斯玻色子进行精确测量并探索标准模型之外的新物理. 本文简要回顾了历史上能量前沿正负电子对撞机的发展历程及其作用, 包括历史上第一台正负电子对撞机AdA的诞生, 在AdA基础上诞生的ACO, VEPP-II, ADONE, 以及后来的SPEAR, DORIS,CESR, TRISTAN, 再到至今为止最大的环形正负电子对撞机LEP等能量前沿正负电子对撞机; 并进一步介绍了目前国际高能物理界正在预研的未来正负电子对撞机的几种设计方案, 如ILC, CLIC, TLEP等, 其中包括我国自主提出的下一代环型正负电子对撞机CEPC.
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