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【必威官网】对撞30载 锤炼“大科学”精锐之师

环形正负电子对撞机谱仪和对撞区机械设计专题讨论会在高能所东莞分部召开,这也是CEPC综合探测器整体及对撞区附近的加速器系统的第一次正式联合讨论会。会议由娄辛丑主持,来自实验物理中心、加速器中心和东莞分部的15位专家到会,另有多位所内外专家通过视频参会,就CEPC预研项目的关键设计问题进行了讨论和规划。
会上,纪全汇报了CEPC谱仪初步设计进展,并建议探测器、MDI真空管及磁体等相关方面尽快确定边界和接口要求。梁志均、王海静和张国庆分别汇报了顶点探测器机械设计、对撞机区机械设计及轭铁的设计进展。与会人员讨论确定了后续研究交流计划。
电子对撞机,是一个使正负电子产生对撞的设备,它将各种粒子加速到极高的能量,然后使粒子轰击一固定靶。通过研究高能粒子与靶中粒子碰撞时产生的各种反应研究其反应的性质,发现新粒子、新现象。
对撞机又作为同步辐射装置,在凝聚态物理、材料科学、地球科学、化学化工、环境科学、生物医学、微电子技术、微机械技术和考古等应用研究领域取得了一大批骄人的成果。
利用同步辐射光对高温超导材料进行的深入研究;对世界上最大尺寸的碳60晶体以及在0.1-0.3微米X射线光刻技术的研究均取得重要突破;在微机械技术方面,制成了直径仅4毫米超微电机,这种电机将能在医疗、生物和科研等方面有独特的用途。目前世界上已建成或正在兴建的对撞机有10多台。

作者:靳松 娄辛丑 阮曼奇 徐庆金 朱宏博

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标签: 探测器

中国科学院高能物理研究所)

天安门广场向西约15公里,形似一只羽毛球拍的北京正负电子对撞机大部分结构由北向南卧在地下,它由一台长202米的直线加速器、一组共200米长的束流输运线、一台周长240米的储存环加速器、一座高6米重700吨的大型探测器“北京谱仪”和14个同步辐射实验站等组成。“正负电子不断对撞,科学家获取分析对撞产生的大量事例,看其中是否可能有一些稀有现象,披沙拣金一般,各种新粒子都是这样现身的。”张闯说。

北京正负电子对撞机重大改造工程中的谱仪机械系统。

摘要环形正负电子对撞机是中国高能物理学界提议建造的、下一代大型正负电子对撞机。CEPC不仅可作为Higgs粒子工厂而运行,也可产生海量的Z玻色子以及W玻色子,进而从Higgs物理、电弱精密测量、味物理和QCD等各个方面对粒子物理标准模型进行全面、细致的验证,并以此来揭示标准模型背后的物理规律。自倡议以来,我国高能物理学界对CEPC项目的物理潜力及其各项关键技术进行了积极的研究,并于2018年11月正式发布了CEPC的概念设计报告。这意味着CEPC项目的初步设计蓝图已经完成。文章在CEPC《概念设计报告》的基础上简介了其物理潜力及相关技术的研究进展。

除了2004年至2008年进行的重大改造工程以及每年的检修时间,在这个地下的庞然大物里,正负电子几乎一刻不停地对撞,产生各种粒子事例,由布设在对撞区周围的谱仪捕捉,再由科学家初选出事例、进行物理分析。

百 度

关键词环形正负电子对撞机,希格斯玻色子,精确测量,标准模型,新物理

进入中科院高能物理所44年,张闯几乎参与了北京正负电子对撞机及其重大改造工程的全过程。“在世界上最权威的粒子数据表上,北京谱仪测量的数据超过1000项,每一项数据就是一项成果。可以说,粲物理领域的绝大多数精确测量都是北京谱仪合作组完成的。”张闯很骄傲,他和他的同行,见证了北京正负电子对撞机成就的粲物理领域30年领先。

关于中国是否应该建设“下一代大型粒子对撞机”是近年来科技领域的争论热点之一。持赞成立场的有中科院院士、中科院高能物理研究所所长王贻芳,持反对立场的则有诺贝尔物理学奖得主。双方在多个场合下分别阐明自己的立场和理由,争论的影响也已超出学术界,进入公众舆论层面。目前,这场争论还在继续,结论和有关部门的决策还需进一步等待和观察。

1 粒子物理和标准模型

超高能研究必须对撞

上世纪七八十年代,中国经过长期酝酿后,邓小平亲自决策,支持建设北京正负电子对撞机。它被认为是中国科学家继原子弹、氢弹、人造卫星、核潜艇之后取得的又一伟大成就。

粒子物理负责回答人类最古老、最深刻的两个问题,即世界是由什么组成的,以及它们的运行规则是什么。借助不断进步的技术手段,人类对这两个问题的理解也在不断加深。人们不断发现原有理论的缺陷,在修正和革新中一步步完善对自然的认识。

高能物理所研究员、北京谱仪III发言人苑长征介绍说,北京正负电子对撞机是一台高能加速器,它提供的正负电子束流主要做两件事:一是高能物理实验,即北京谱仪实验,产出了一系列重大成果;二是同步辐射应用研究,也就是利用对撞时产生的同步辐射光供诸多学科领域开展研究,每年有大约500多个实验在这里完成。

让我们一起走进中科院高能物理研究所,近距离感受北京正负电子对撞机的风采——

时至今日,我们对自然界的认识被总结为粒子物理的标准模型(Standard
Model)。标准模型预言了三种粒子:自旋为1/2 的费米子,自旋为1
的规范玻色子,以及自旋为0 的Higgs
粒子。在标准模型看来,我们的物质世界由费米子组成,而运行规律则通过玻色子的交换来实现。这种交换不仅发生在费米子之间,同样也发生在玻色子之间。费米子和规范玻色子中的W、Z
粒子都通过和Higgs 场的相互作用获得质量,因此Higgs
场也被人们称为质量之源。

张闯研究员展示了一张漫画,两只小松鼠站在机器的两头,手中各拿着一个核桃,“把核桃往地上扔可能打不开,但让两个核桃高速对撞可能就能撞开。我们实际上就是要把粒子对撞打开,看里面是什么东西。速度越快、撞得越碎,越可能有所发现。”他用这个例子解释了“为什么要对撞”。

天安门向西约15公里,形似羽毛球拍的北京正负电子对撞机大部分结构由北向南卧于地下,它由一台长202米的直线加速器、一组共200米长的束流输运线、一台周长240米的储存环加速器、一座高6米重700吨的大型探测器“北京谱仪”和14个同步辐射实验站等组成。

标准模型是一个极为成功的理论,它精确地描述、预言以及诠释了粒子物理加速器实验中观测到的几乎所有实验现象。标准模型通过优美的数学结构统一描述了自然界中三大基本相互作用力:电磁力、弱力和强力。直至今天,标准模型的发展和验证获得了近三分之一的诺贝尔物理学奖。它不仅是粒子物理学科发展的主旋律,也是人类智慧的一首壮丽史诗。

“如果不对撞,而是用电子束打静止靶,产生的有效的相互作用能量要小得多。1954年,著名的物理学家费米提出建造质心能量为3TeV的高能加速器,按当时的技术,采用打静止靶的方案,需要加速器的半径达到8000公里,比地球还要大;而欧洲强子对撞机的半径只有4.3公里,就达到了13TeV的质心能量,所以超高能研究一定要让两个束流进行对撞。”张闯说,但是束流对撞要求粒子多、截面积小、频率高,才能获得足够高的对撞亮度,因此难度也大得多。

进入中科院高能物理所44年,张闯几乎参与了北京正负电子对撞机及其重大改造工程全过程。“在世界上最权威的粒子数据表上,北京谱仪测量的数据超过1000项,每一项数据就是一项成果。可以说,粲物理领域的绝大多数精确测量是由北京谱仪合作组完成的。”张闯很骄傲,他和同行,见证了北京正负电子对撞机所成就的在粲物理领域30年领先。

虽然标准模型取得了巨大成功,它本身却很难被认为是一个终极理论。在对撞机实验之外,标准模型无法解释一系列极为重要、极为基本的自然之谜,比如暗物质、暗能量、真空能、宇宙暴涨及演化、宇宙中物质的正反不对称性等一系列和宇宙演化相关的基本问题。另一方面,标准模型导致了一系列的理论疑难。比如,标准模型中的顶夸克和电子在质量上相差30
多万倍,而在标准模型看来,这两者的质量起源是完全一致的——这是很难让人信服的。在标准模型的面纱下,必然隐藏着大自然更深邃、更优美的奥秘1,2]。

在亿万粒子中找不同

对撞让新粒子现身

Higgs
粒子是我们进一步理解自然的关键。它同标准模型中的绝大部分理论疑难直接相关。Higgs
粒子是标准模型中唯一的、自旋为0 的标量粒子。Higgs
场决定了所有粒子的质量。质量是物质最基础的属性之一,因此,Higgs
场极大地决定了宇宙的面貌。比如,Higgs
场决定了电子的质量,因此确定了原子的尺度;它决定了W、Z
粒子的质量,进而决定了弱相互作用的力程和强度。Higgs
粒子同其他粒子的相互作用对宇宙形貌的影响是极为深刻的,它们的微小改动,都可能导致宇宙中无法演化出和我们类似的生命;甚至会导致宇宙本身的不稳定性,乃至决定宇宙最终的宿命。正因如此,Higgs
粒子是标准模型中最奇妙、最令人着迷的粒子之一,它被认为是通向标准模型背后更深刻的物理原理的理想探针。所以,当Higgs
粒子被发现后,对其性质的精密测量立刻被提上日程。恰如美国普林斯顿高等研究院的着名理论家Nima
Akani-Hamed 教授所言,“Higgs
粒子……是深刻的新原理的预兆,粒子物理学界无疑要和Higgs
粒子研究死磕到底”2]。

在粲物理领域,绝大多数精确测量都是北京谱仪合作组完成的。

高能物理所研究员、北京谱仪Ⅲ发言人苑长征介绍说,北京正负电子对撞机是一台高能加速器,提供的正负电子束流主要做两件事:一是高能物理实验,即北京谱仪实验,产出了一系列重大成果;二是同步辐射应用研究,利用对撞时产生的同步辐射光供多学科开展研究,每年有大约500多个实验在此完成。

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这来源于北京正负电子对撞机的卓越性能。“1988年10月16日对撞成功,运行30多年。对撞机是经过几代人的努力做出来的,我们这一代曾面临康奈尔大学的挑战,对方把能量降下来和我们竞争,一时间超过了我们,我们做了重大改造,在世界同类型装置中继续保持领先地位。”张闯说。2004年改造以前,对撞机以一对束团,每秒对撞约一百万次,2008年完成改造后,它成为目前的双环结构,约100个束团,每秒对撞约一亿次,加上其他性能的提升,亮度比改造前提高了100倍。

张闯研究员展示了一张漫画,两只小松鼠站在机器的两头,手中各拿着一个核桃,把核桃往地上扔可能打不开,但让两个核桃高速对撞可能就能撞开。我们实际上就是要把粒子对撞打开,看里面是什么东西。速度越快、撞得越碎,越可能有所发现。他用这个例子解释了“为什么要对撞”。

图1 标准模型基本组分粒子;标准模型粒子之间的相互作用

在粒子物理领域存在三个研究前沿,分别是高能量前沿、高强度前沿、宇宙学前沿,北京正负电子对撞机处于高强度前沿,另外两端分别有大型强子对撞机、国际直线对撞机、未来环形对撞机等和高山宇宙线、空间探测器、望远镜等。

“如果不对撞,用电子束打静止靶,产生的有效的相互作用能量要小得多。1954年,物理学家费米提出建造一种高能加速器,采用打静止靶的方案,需要加速器的半径达到8000公里,比地球半径还要大。欧洲强子对撞机的半径只有4.3公里,就达到了13TeV的质心能量,所以超高能研究一定要让两个束流进行对撞。”张闯说,束流对撞要求粒子多、截面积小、频率高,才能获得足够高的对撞亮度,因此难度也大得多。

2 Higgs 粒子工厂:强子Vs 正负电子,直线Vs环形

站在极广大和极幽微的端点,物质结构研究尺度不同。张闯的讲述中,在20世纪初,人类认识的世界小到10的-10次方米的原子,大到10的11次方米远的行星。到1930年代,这个范围扩大到原子核和恒星。到了2000年,依托大科学装置,人类的视野深入到10的-18次方米的夸克、扩展到10的25次方米远的浩瀚太空。对物质结构的探索是人类一步步走出洞穴的过程。

“正负电子不断对撞,科学家获取分析对撞产生的大量事例,看其中是否可能有一些稀有现象,披沙拣金一般,各种新粒子都是这样现身的。”张闯说。

为了探索亚原子级乃至更小的结构,我们需要借助粒子加速器。加速器把微观粒子加速到越来越高的能量,以此来探索越来越小的结构。为了记录加速器所产生的关键信息,人们通过粒子探测器来测量并记录末态粒子的能量、动量、种类信息。有些粒子物理实验是不需要加速器的,比如宇宙线实验、部分中微子实验等等,但所有的实验都需要探测器。

令人惊喜的是,接受采访时,苑长征表示最近有一个重要发现:北京谱仪Ⅲ合作组发现正负电子对撞中兰布达超子存在横向极化,合作组利用2009年和2012年采集的13亿粲偶素数据,选出了纯度高、质量好的42万事例,发现由此产生的兰布达超子存在高达25%的横向极化。这项成果刚在英国《自然·物理》杂志刊出。

在亿万粒子中找不同

为精确测量Higgs 粒子性质,我们需要Higgs粒子工厂。发现了Higgs
粒子的大型强子对撞机本身就是强有力的Higgs
粒子工厂。时至今日,LHC已生产了数以千万计的Higgs
粒子,而其高亮度升级计划则将带来数以亿计的Higgs
粒子。另一方面,由于LHC的对撞粒子——质子参与强相互作用,质子—质子的反应截面非常大,这意味着LHC上的本底噪声水平非常高。事实上,在100
亿个质子—质子的对撞事例中只能产生一个Higgs
粒子。极高的本底水平导致LHC上产生的99%以上的Higgs
粒子事例无法被甄别记录。同时,在标准模型看来,质子并不是基本粒子,而是由夸克—胶子等成分组成的复杂系统,这意味着对撞的初态难以准确确定,也意味着难以控制的理论误差。这些不利因素,使得LHC难以进行Higgs
粒子性质的精确测量。模拟研究表明,在高亮度升级的情况下,LHC可将Higgs
粒子性质测量测到5%—10%的极限相对精度。通过LHC上已经产生的Higgs
粒子事例,人们初步确定Higgs
粒子的性质基本同标准模型预言相吻合。这也意味着,我们需要在更高的精确度下对Higgs
粒子性质进行测量。

为牵头大科学计划树立规范

在粲物理领域,绝大多数精确测量是北京谱仪合作组完成的。

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张闯打开电脑,进入对撞机的显示页面,屏幕上两条曲线沿时间轴向前推移,一条代表正电子流强的红线,一条代表负电子流强的蓝线,高点约在600毫安,大概一小时后,两条线匀速降至低点,约450毫安,这代表粒子数量越来越少,控制室的工作人员操作按键,注入正负电子,曲线抬头,继续每秒一亿次的对撞。

这来源于北京正负电子对撞机的卓越性能。“1988年10月对撞成功,运行30多年。对撞机是经过几代人努力做出来的,我们这一代曾面临康奈尔大学的挑战,对方把能量降了下来,一时超过了我们。后来,我们做了重大改造,在世界同类型装置中继续保持领先。”张闯说。2008年完成改造后,它成为双环结构,约100个束团,每秒对撞约一亿次,加上其他性能提升,亮度比改造前提高了100倍。

图2 大型强子对撞机及其上的4个大型实验

来自全世界14个国家、64所研究机构的400多名科学家,每天都可以在世界各地点开这个页面,看到两条曲线。

在粒子物理领域存在3个研究前沿,分别是高能量前沿、高强度前沿、宇宙学前沿,北京正负电子对撞机处于高强度前沿,另外两端分别有大型强子对撞机、国际直线对撞机、未来环形对撞机等和高山宇宙线、空间探测器、望远镜等。

相比于强子对撞机,基于正负电子对撞机的Higgs
粒子工厂具有巨大的优势。正负电子是标准模型下的基本粒子,这意味着正负电子对撞机的初态是精确可知且可调的。在合适的对撞能量下,每100—1000
次正负电子对撞中就会产生一个Higgs
粒子事例,其信噪比比强子对撞机提高了一亿倍。在先进的探测器系统的支持下,几乎所有的正负电子Higgs
工厂上的信号事例都可以被甄别、记录。除此之外,正负电子Higgs
工厂还可以对Higgs 粒子性质进行模型无关的精确测量。正负电子Higgs
工厂可将Higgs
粒子性质测量到0.1%—1%的相对精度,超出LHC的极限精度达一个量级。

“从1989年开始实验起,就建立起北京谱仪合作组,这个合作组三十年来一直在一起做实验,是很不容易的。”张闯说,这套由中国牵头的国际重大科学装置的合作规则,也是北京正负电子对撞机的宝贵经验,为后来者做出示范。

正负电子对撞机等大科学装置拓展了人类宏观微观认识尺度。20世纪初,人类认识的世界小到10的-10次方米的原子,大到10的11次方米远的行星。上世纪30年代,范围扩大到原子核和恒星。到了2000年,依托大科学装置,人类的视野深入到10的-18次方米的夸克、扩展到10的25次方米远的浩瀚太空。

正负电子对撞机是极有吸引力的、高精度的Higgs
粒子工厂。国际高能物理学界普遍认为,建造正负电子Higgs
工厂是未来高能物理对撞机实验发展的必由之路,并倡议了多个正负电子Higgs
工厂技术方案。这些方案中包括了欧洲核子中心倡议的未来环形对撞机3]和紧致直线对撞机4],可能被建设于日本的国际直线对撞机5],以及由我国高能物理学界提议的环形正负电子对撞机6—8]。这些被倡议的正负电子Higgs
工厂可以被分为两大类:直线对撞机和环形对撞机。前者包括CLIC和ILC,后者包括FCC和CEPC。

它将来会不会寿终正寝?张闯很坦然:我们的优势还会保持十年以上,这十年要继续做实验,比如继续研究轻强子谱和新强子态等,根据实验结果,看是否需要进一步提高性能。

苑长征说,最近又有一个重要发现:北京谱仪Ⅲ合作组发现正负电子对撞中兰布达超子存在横向极化,合作组利用2009年和2012年采集的13亿粲偶素数据,选出了纯度高、质量好的42万事例,发现由此产生的兰布达超子存在高达25%的横向极化。这项成果刚在英国《自然⋅物理》杂志刊出。

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近几年,关于中国是否要建造环形正负电子对撞机的争论持续进行。去年底,两卷本的环形正负电子对撞机《CEPC概念设计报告》正式发布。前几天杨振宁在公开演讲中重申反对建设的观点,再次将争论摆上台面。

优势还会保持10年

图3 可能的正负电子Higgs
粒子工厂:ILC,CEPC以及CLIC。其中FCC和CLIC示意图中,白色小圈代表LHC

“有争论很正常。”张闯不假思索,“但科学研究会找到自己的方向,比如我们的对撞机继续向前走,有需要可能再改造。如果暂时不能做高能量前沿,还可以做高强度前沿。如果因为经费或者技术原因不能做,可以等将来成熟了再做。”

张闯打开电脑,进入对撞机的显示页面,屏幕上两条曲线沿时间轴向前推移,一条代表正电子流强的红线,一条代表负电子流强的蓝线,高点约在600毫安,大概1小时后,两条线匀速降至低点,约450毫安,这代表粒子数量越来越少,控制室的工作人员操作按键,注入正负电子,曲线抬头,继续每秒一亿次的对撞。

为了理解直线对撞机和环形对撞机的优缺点,我们需简单了解同步辐射这一物理现象。牛顿定律告诉我们,物体总是倾向于保持匀速直线运动状态;微观带电粒子运动状态的改变将导致同步辐射光子的发射。同步辐射功率同带电粒子的能量/静质量之比的四次方成正比,并反比于其轨道偏转的曲率半径的平方。由于电子是标准模型中最轻的带电粒子,这意味着环形轨道上的正负电子可产生功率巨大的同步辐射(在正负电子Higgs
工厂中的γ
因子可达近百万)。这一方面限制了环形正负电子对撞机的质心能量,另一方面,也使得各种基于正负电子加速器的同步辐射光源成为可能。为了控制同步辐射功率,我们可以建造大型环形对撞机(通过巨大的曲率半径来限制同步辐射功率),或者可以建造轨道曲率半径无穷大的直线对撞机,对应着上文提到的两大类正负电子Higgs工厂。

“但最好能尽快挺进高能量前沿。”他补充。较量不可避免,“除了欧洲的FCC,日本还可能要做ILC,国际上既有合作、也有竞争。当然,希望下一代最强对撞机依然在中国。”张闯笑说。

全世界14个国家、64个研究机构的400多名科学家,每天都可以在世界各地点开这个页面,看到两条曲线。

对撞机上物理事例的产率是其反应截面和对撞机亮度的乘积。换言之,亮度体现了Higgs
工厂的生产率和总产量。对环形正负电子对撞机而言,在限制了同步辐射总功率的情况下,其亮度随质心能量的3
次方压低;而直线对撞机原则上不受同步辐射总功率的限制,其亮度随质心能量缓慢增加。因此,就亮度而言,环形正负电子对撞机在较低的质心能量上占优;而直线对撞机则在高能区占优,如图4
所示。同时,直线对撞机上仅有一个对撞点,而环形对撞机上则可同时拥有多个对撞点,意味着环形对撞机上可同时运行多个探测器、进行实验取数。由于Higgs
粒子的质量是125 GeV,质心能量为240—250
GeV的正负电子对撞即可有效产生Higgs
粒子。在这个能区,环形正负电子对撞机相对于直线对撞机有亮度上的优势。

“从1989年开始实验起,就建立起北京谱仪合作组,合作组30年来一直在一起做实验。”张闯说,这套由中国牵头的国际重大科学装置的合作规则,是北京正负电子对撞机的宝贵经验,为后来者做出示范。

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它将来会不会寿终正寝?张闯很坦然:我们的优势还会保持10年以上,这期间要继续做实验,比如继续研究轻强子谱和新强子态等,根据实验结果,看是否需要进一步提高性能。

图4 正负电子Higgs 工厂上亮度与质心能量的关系

近几年,关于中国是否要建造环形正负电子对撞机的争论持续进行。去年底,两卷本的环形正负电子对撞机《CEPC概念设计报告》正式发布。近日,反对建设的观点再次被提出,争论又一次摆上台面。

9]。其中CEPC的总功耗被限制在较低水平,导致其亮度比FCC略低

“有争论很正常。”张闯说,“但科学研究会找到自己的方向,比如,我们的对撞机继续向前走,可能需要再改造。如果暂时不能做高能量前沿,还可以做高强度前沿。如果因为经费或者技术原因不能做,可以等将来条件成熟了再做。”

相对于环形对撞机,直线对撞机有两个突出的优点。第一,直线对撞机的质心能量基本同对撞机长度成正比,相对于环形对撞机,可以相对简单地提高其质心能量,在现有技术下质心能量原则上可以比环形正负电子对撞机提高近一个量级;第二,直线对撞机上原则上可以实现对撞粒子的纵向极化,这对很多物理测量是有优势的。在这个意义上,环形对撞机和直线对撞机拥有相当的互补性。

“最好能尽快挺进高能量前沿。”张闯补充说。较量不可避免,“除了欧洲的FCC,日本还可能要做ILC,国际上既有合作、也有竞争。当然,希望下一代最强对撞机依然在中国。”他笑着说。

了解了质子对撞机和正负电子对撞机,以及直线对撞机和环形对撞机作为Higgs
工厂的比较优势,下面重点介绍我国高能物理学界倡导的CEPC 项目。CEPC
的主环周长长达100 km,是LHC 的近4 倍大。其总造价约为360
亿人民币,相当于北京5 号线地铁造价。在240 GeV 的质心能量下,CEPC
上预期将产生一百万Higgs 粒子,其产额比直线对撞机的代表ILC 大近6
倍,这意味着精确度上的巨大优势。图5 演示了CEPC 上一个特征的Higgs
事例。同时,在相对较低的质心能量下,CEPC
可进行丰富的物理测量:它可在91.2 GeV 的质心能量附近作为Z
粒子工厂运行,并在161 GeV附近的质心能量下进行W粒子阈值扫描。CEPC
上预期可以在极低的本底噪声下产生上亿W粒子,以及数以千亿计的Z
粒子。它不仅可以对Higgs
粒子进行精确测量,同时可以以超过现有水平达一个量级的精确度对电弱可观测量进行测量,同时,CEPC
可进行丰富的味物理、QCD测量。一言以蔽之,CEPC
可在各个方面,对标准模型进行精确的测量/验证,进而进行新物理规律的探索。同时,CEPC
项目还可以作为能量极高的同步辐射光源运行,继而为包括核物理、凝聚态、生物、医药研究在内的其他学科发展提供技术支持。

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图5 模拟产生的CEPC上的Higgs 事例

环形正负电子对撞机还可以被升级为质子对撞机。由于质子的静质量比正负电子大近2000倍,质子对撞机质心能量受同步辐射功率的限制要远小于正负电子对撞机,这意味着质子对撞机的质心能量可以远超正负电子对撞机。CEPC
可以被升级为超级质子对撞机,其质心能量将高达100 TeV,超过目前的LHC
达一个量级。除质子对撞外,SPPC
上还可运行重离子对撞,对宇宙极早期行为进行探索。CEPC 项目及其后续的SPPC
项目的生命周期长达数十年,一旦建成,将不断为粒子物理探索提供重要的前沿数据。

除了正负电子对撞机和质子对撞机之外,粒子物理学界也在积极探索其他类型的Higgs
粒子工厂,包括光子对撞机、Muon子对撞机、等离子体加速技术等等10]。综合考虑物理潜力、可行性、造价以及项目时间线,正负电子对撞机,特别是我国倡导的CEPC
项目,在诸多选择中拥有巨大优势。这一点得到了国内外高能物理学界的一致共识。2013
年的香山会议指出,“CEPC—SPPC 项目是我国高能物理发展的重要机遇”。2014
年,ICFA就CEPC项目和未来高能物理发展表态:“ICFA支持能量前沿环形对撞机研究并鼓励全球协调”,“ICFA鼓励国际环形对撞机研究,其最终目的是能量远超LHC
的质子—
质子对撞”。2016年3月的亚洲未来加速器委员会和亚洲高能物理委员会就ILC,CEPC与高能物理未来发展发表声明:“过去几年,对大型环形对撞机的兴趣一直在增长。这首先是一个希格斯工厂,最终成为一台高能质子—质子对撞机。我们鼓励中国领导的这个方向,并期望尽快看到技术设计完成”1]。2016
年8
月,中国物理学会高能物理分会年会明确表示,“CEPC是我国未来高能加速器物理发展的首选项目”。

3 概念设计报告:CEPC 离我们有多远?

2012 年,国内高能物理学界开始进行CEPC项目的讨论。2013 年9 月,CEPC
工作组正式成立。2015 年初,CEPC
工作组发布了CEPC的《预备概念设计报告》6],这一报告明确了CEPC项目的可行性。报告认为CEPC项目不存在原理性的困难,同时,报告甄别出大量需要仔细研究的关键技术。根据CEPC预备设计报告,CEPC工作组进行了大量的科研攻关,完成了对撞机、探测器上一系列关键技术的预研。2018
年11月,CEPC 研究工作组在北京正式发布CEPC
的两卷《概念设计报告》7,8],这意味着CEPC 项目的初步设计蓝图完成。

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图6 2013 年CEPC—SPPC项目启动会合影

CEPC
的概念设计报告包括《加速器卷》和《探测器和物理卷》两部分。《概念设计报告》给出了对撞机和探测器的基线设计,意味着我们得到了“在纸面上可以运行的对撞机—
探测器设计”。其中《加速器卷》介绍了加速器整体设计,
包括直线加速器、阻尼环、增强器和对撞机。另外,还介绍了低温系统、土木工程、辐射防护等一系列重要支撑设施,并讨论了CEPC升级的可能选项。《探测器和物理卷》展示了CEPC
的物理潜力,介绍了探测器的设计概念及其关键技术选项,重点对CEPC
的探测器和物理研究做了深入评估,并讨论了未来探测器研发和物理研究的初步计划。根据该设计报告,CEPC的主环周长长达100
km,是目前世界上最大的高能物理对撞机——LHC主环周长的4
倍。CEPC上将至少会有两台探测器同时进行科学实验。

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图7 CEPC对撞机系统主要结构

7]

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图8 CEPC上的基线探测器剖面图

8]

CEPC
项目拥有巨大的物理潜力和比较优势,不仅获得了国内物理学界的全力支持,也得到了国际高能物理学界的积极参与。来自近140个国际研究机构的近300
名外国物理学家积极参加了CEPC《概念设计报告》的研究。

CEPC《概念设计报告》的完成受到了广泛的赞誉和支持。国际未来加速器委员会和亚洲未来加速器委员会主席、墨尔本大学教授Geoffery
Taylor评价:“这是CEPC这样一个用于基础研究的大型科学装置的重要发展里程碑”,“毫无疑问,国际高能物理界非常希望参加CEPC的研发和将来的科学实验,这将会大大促进对物质最基本组成单元的进一步理解。”2017
年诺贝尔物理学奖获得者、加州理工大学教授Barry
Barish(领导LIGO实验发现引力波)祝贺说:“加速器的发展历史是实现越来越高的能量,并在过去几十年中一直都是众多粒子物理重大发现所依赖的核心工具。而CEPC
将延续这一伟大传统!我衷心祝贺CEPC《概念设计报告》团队做了如此出色的工作。”

CEPC 项目团队计划以《概念设计报告》为基础完成关键技术预研,计划于2018
年至2022年间建成一系列关键部件原型机,验证技术和大规模工业加工的可行性。按照目前的进度安排,CEPC
将在5 年左右的时间内完成《技术设计报告》,这将是CEPC
项目的最终蓝图,《技术设计报告》的完成意味着CEPC
项目的建设即可启动。一旦获批,项目的建设需要7—10
年左右的时间,因此,在乐观的情况下,我们将在2030
年左右获得来自CEPC的第一批实验数据11]。

必威官网,4 CEPC 对高精尖技术的依赖和推动

在人类目前已经建立的正负电子对撞机中,大型正负电子对撞机是在质心能量和对撞机尺度上最接近CEPC
的。LEP 是LHC 的前身,它于1989 年至2000
年运行在位于日内瓦的欧洲核子中心。LEP 上产生了数以千万计的Z
粒子和大量W粒子,对标准模型中的电弱可观测量进行了非常精确的测量。2001
年,LEP 开始进行到LHC 的升级, 后者于2009 年开始对撞,
并在2012年宣布了Higgs 粒子的发现。

CEPC的主环周长比LEP提高了近4 倍。运行于Higgs
工厂时,CEPC的质心能量比LEP最高质心能量提高了15%,而其亮度则比LEP
提高了近3 个数量级。运行于Z工厂模式下时,CEPC的亮度则比LEP 提高了4
个量级以上。更高的亮度意味着更大的物理事例产额,意味着需要对撞机技术上的重大突破;同时,更高的亮度也意味着CEPC
需要更加精良的探测器系统,意味着需要探测器设计、制造上的重大突破。

大型对撞机和探测器是需多种尖端技术支持的综合系统,是工业皇后皇冠上的明珠。CEPC的加速器系统包括有电子/正电子源、直线加速器、超导高频、高效率速调管、大功率电源、磁铁、低温、冷却、真空、准直、束流测量、辐射防护、控制、机械、对撞区等数十个核心子系统。而CEPC
的探测器则由高精度顶点—径迹系统、量能器、磁铁—轭铁子系统组成,同时包括有配套的机械、准直、冷却、电子学、数据存储和处理系统。同时,CEPC
工作组对对撞机和探测器的设计、优化、关键技术攻关、物理及工程样机的制备均进行了大量的工作,在子系统研究方面取得了大量进展。

举例而言,高频系统是对撞机的核心组件,其作用是为粒子提供加速电场,加速到所需的能量。对于高频系统,CEPC
预期将采用世界上先进的低温超导加速器技术。CEPC 主环和增强器将分别采用650
MHz和1.3 GHz
的超导腔实现。超导腔除了选用传统超导高频技术中所用的高纯铌外,还将使用目前世界上前沿的掺氮技术,进一步减小超导腔本身的能量损耗。此外,还将完善一些列的超导腔处理工艺和设施,如超导腔电抛光装置,使我国的超导高频技术步入世界领先水平。为了维持超导状态,高频腔被安装在工作温度为4
K、长度为11
m的低温单元中,CEPC的主环上将安装40个低温单元,如图9,10所示。

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图9 CEPC 主环上的、650 MHz超导高频腔样机及其垂直测试

12]

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图10 CEPC主环上的低温单元设计图。整个系统利用液氦冷却稳定在2
K的低温,以保持650 MHz超导高频腔正常工作

7]

高效速调管是CEPC
所需的另一个关键技术。速调管产生大功率微波,并以其在高频系统中建立起强电场,以加速粒子束团。目前,百千瓦量级的连续波速调管功率仅在60%,也就是说有近一半的能量将在速调管部分损失。因此,CEPC
项目开展了高效速调管的研究,可使速调管的输出功率和工作效率提高到800
kW及80%以上。为达到这一目标,研制中,不仅在关键技术上有着新的突破,还将提出新的理论和方法。速调管作为最重要的微波电真空器件之一,不仅用于加速器领域的大科学工程,在国防科技和工业领域也有非常广泛的应用,如雷达、通讯广播等。

磁铁对CEPC
对撞机和探测器都极端重要。在对撞机上,磁铁系统负责将束流粒子约束在预期轨道内,调控束流束团的几何,并最终实现高亮度的对撞。在探测器上,磁铁系统包括有大体积的螺线管磁铁和前端安装的反螺线管系统。前者保证了物理事例中径迹动量的准确测量,而后者则保证了对撞机的高亮度运行。CEPC
项目研究涉及多种磁铁系统,其技术要求和技术难点各不相同,其中包括增强器磁铁、主环磁铁、对撞区磁铁,以及质子对撞机高场磁铁等等。图11
显示了目前CEPC
主环上的几种主要磁铁的设计截面图。目前,增强器磁铁重点开展了最低工作磁场为30
G的高精度低场二极磁铁的研制。这一工作在国内外均属于首次,研制过程中一些全新方案、工艺、乃至磁场测量将被采用,这将为同类磁铁的研制奠定基础。主环磁铁研制的一个重要方向为高精度永磁二极铁的研制。目前,世界上大型加速器工程所采用的均为电磁铁,其优点在于控制的便捷,然而从另一方面,则需要电源及电功率为其配套。因此,永磁铁研究的开展不仅可以降低磁铁系统的造价,也将大幅节省对撞机的运行费用。本课题的开展中将需要对一系列难点攻关,如对永磁材料抗辐射性能进行系统的研究,实现在较大范围内对永磁磁铁场强的调节,对永磁材料的温度系数进行精细的补偿等。此外,该磁铁的研究将以双孔径磁铁为基准开展,即一块磁铁可以同时满足两个束线的使用,其孔径间距仅为几十厘米,这不仅降低了磁铁的造价,也将使对撞机本身的结构更加紧凑,从而降低隧道的尺度。高场磁铁是高能质子对撞机的核心组件,其磁场强度直接决定了质心能量。

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图11 CEPC主环上的二级、四级及六级铁的设计图截面

7]

高场高温超导磁体在能源、运输、军事等方面均具有不可估量的作用。通过高温超导磁体的研究,人们希望能够将其性能提升10
倍、造价压缩10 倍,达到大规模量产和应用的程度。CEPC—SPPC 加速器周长100
km,其建设需要成千上万个超导磁体,因此未来高能量粒子加速器的建设,对超导材料的性能及造价都提出了挑战。

为了这个目标,2016 年CEPC 工作组联合国内的18
家单位,包括科研机构和企业,成立了实用化高温超导材料产学研合作组。经讨论论证,认为铁基超导材料的高场性能和规模化线材制作成本等方面具有显着优势,合作组明确了基于铁基超导体的基本技术方案。在各成员单位的高效协作下,该合作组若干研究工作已经取得了若干突破性进展:

1)铁基超导材料的短样电流密度已经突破了1450 A/mm2,处于国际领先水平;

2)研制的国内第一个高场超导二极磁体,在4.2
K、两个孔径内最高磁场达到了10.2 T;

3)国际上首次完成了铁基超导线圈高场性能测试,实验验证了铁基超导高场应用的可行性。

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图12 高场超导二极磁体样机及其性能测试结果

12]

这些研究确立了我国在高场加速器磁体技术领域的国际先进地位13,14]。

CEPC
探测器设计中将使用先进的半导体探测器技术以及读出电子学技术。在过去的几十年中,得益于LHC等实验应用需求以及半导体工艺的快速发展,半导体探测器和电子学的性能得到不断提升。性能的提升也进一步拓展其在其他辐射探测和辐射成像领域的广泛应用。研发中所积累的器件抗辐照设计、辐照加固等技术也能够为其他领域的应用、设计提供直接或间接的参考。针对未来高能物理及其他相关领域若干重要应用,硅径迹探测器技术发展将主要体现在传感器工艺和设计、前端电子学工艺及设计、集成硅探测器、先进连接技术等重要方面,持续提升硅径迹探测器性能。

国际上硅径迹探测器技术快速发展,而国内由于起步较晚且由于存在抗辐照工艺禁运等问题,在技术水平方面与国外前沿存在明显差距。以笔者所在的中国科学院高能物理研究所为例,近年来针对先进光源同步辐射探测、成像的需求,利用国内厂商提供的CMOS工艺,成功研制前端读出电子学ASIC
芯片,主要性能已接近国外同类产品。与国内研究所设计、制作的硅像素传感器集成,逐渐开发出符合设计指标的整机系统。此外,还积极参与LHC实验探测器升级,通过国际合作的方式,努力打破技术禁运的同时通过参与实际研发项目提高硅径迹探测器设计水平。所参加的ATLAS实验硅微条径迹探测器升级课题所需经费部分已经得到国家重点研发计划支持。与此同时,基于已有设计经验,我们也在自主研制高性能的集成式硅探测器,满足未来对撞机实验的需求,并积极拓展应用范围。伴随着国家对于半导体工艺的持续投入,将有机会更多尝试国内工艺厂商提供的工艺,研制高性能的硅径迹探测器,走向国际前沿。

除上述硬件研究外,CEPC
上的数据处理也将涉及大量的算法、软件、计算方面的先进技术。以目前CEPC项目的基线重建算法——Arbor粒子流算法为例,该算法能够准确重建CEPC
上Higgs
粒子事例中产生的所有关键物理标的物,进而对探测器信号进行全面准确的物理诠释,见图13。为充分发掘CEPC
的物理潜力, 追求CEPC
上物理可观测量的极限测量精度提供了工具和保障。与此同时,CEPC
工作组也在积极进行机器学习、并行计算等技术的测试和研究。为高效处理海量的物理事例进行前期准备。

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图13 Arbor
算法重建出的τ轻子信号,及其重建出的、强子末态下的W、Z和Higgs粒子信号。图中可见,目前CEPC
的基线探测器—重建算法可有效区分W、Z 以及Higgs
粒子,这对CEPC的物理潜力至关重要

CEPC 的对撞机和探测器系统均为涉及多种高精技术的复杂系统。CEPC
项目研究的核心之一就是多种关键技术的开发、验证、以及大规模工业量产。为了推动上述研究和工业化,在2017年11
月,CEPC 产业促进会于北京成立,目前已吸引了50
多家在业内领先的工业企业参加,其技术范围包括超导、微波、低温、精密仪器、控制、电子、芯片、真空、计算、土建等方面。CIPC
为CEPC的技术预研、关键部件和装备制造、产业化、建设以及推广应用提供了重要的支撑平台15]。同时,随着CEPC
项目研究的进一步深入,各子系统技术指标的进一步深化细化,CEPC
产业促进会的规模和影响力还将进一步提升。

CEPC
的建造也将对我国经济、社会、文化、教育乃至外交等方面产生深远影响。在此不再详述。

5 小结

经过半个多世纪的发展,人类对粒子物理世界的认识被总结为粒子物理的标准模型。作为最后一个被发现的标准模型粒子,Higgs
粒子为粒子物理的进一步探索,为寻找标准模型背后的、更为基础的物理规律,提供了极佳的探针。

由我国高能物理学界倡导的CEPC 项目拥有巨大的物理潜力。它是高精度的Higgs
粒子工厂,其预期精度超过高亮度LHC
的极限精度达一个量级;在电弱精密测量方面,CEPC
的预期精度将超过现有水平一个量级以上。同时,CEPC 可通过味物理和QCD
精确测量对标准模型进行全面、细致的验证。CEPC
的后续升级——超级质子对撞机,可以在比LHC高一个量级的质心能量下,对超出标准模型的新物理现象进行直接探索。因其在科学上的巨大意义,CEPC
项目得到了国内外高能物理学家的高度赞赏、积极参与和大力支持。

针对CEPC 项目的物理潜力及其所需的各项关键技术,CEPC
工作组进行了积极的预备研究,并于2018 年11
月份发布了《概念设计报告》。该设计报告是CEPC
项目的初步设计蓝图,它不仅全面验证了CEPC
项目的可行性,同时明晰了未来重点研究的方向。CEPC
工作组将继续深入进行相关预备研究,预期将在5
年内完成《技术设计报告》,一经完成,CEPC
项目即可进行建设。在最乐观的情况下,CEPC 将于2030
年左右建设完毕,并开始取数。

CEPC 需要高精尖的工业技术支持。针对CEPC 项目所需的各项关键技术,在2017
年11月,CEPC 产业促进会于北京成立,目前已吸引了50
多家在业内领先的工业企业参加,其业务范围涵盖了CEPC
所需的多种先进技术。相辅相成,CEPC
的建设也将带动一大批高新技术的成熟成长,将在我国技术创新、技术积累和产业升级方面发挥龙头作用。事实上,粒子物理实验一直在挑战现有工业技术的极限,也一直是新技术的源头。

知识和技术是互为表里的,每次认知的巨大进步,都蕴含当时无法想象的技术突破;对自然真理海洋的不断探索,总是给人类带来巨大的惊喜和力量。我们期待着对CEPC
的探索将带给我们全新的知识,也期待着这些知识背后蕴藏的无限可能。

参考文献

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2016,Shanghai.
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http://cepc.ihep.ac.cn/CEPC_CDR_Vol1_Accelerator.pdf,2018.
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11] The CEPC Study group. The CEPC input for the European Strategy for
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12] https://ieeexplore.ieee.org/document/8528536

13] Wang D L,Zhang Z,Zhang X P et al. First performance test of 30 mm
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field. Superconductor Science and Technology,2019,in press.
https://doi.org/10.1088/1361-6668/ab09a4

14] Wang C T,Cheng D,Zhang K et al. Electromagnetic
Design,Fabrication and Test of LPF1:a 10.2 T Common-Coil Dipole Magnet
with Graded Coil Configuration. IEEE Transactions on Applied
Superconductivity,2019,in press

15] Gao J. Presentation at ICHEP 2018,July 2018,Seoul.
报告题目:Overview of the Completion of CEPC Accelerator.
https://indico.ihep.ac.cn/event/8299/session/2/contribution/2/material/slides/0.pdf

本文选自《物理》2019年第3期

本文经中国物理学会期刊网微信公众号授权转载

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