2019环形正负电子对撞机(CEPC)国际研讨会在中科院高能所召开。这是由中国发起的大型科学装置“高能环形正负电子对撞机”主题国际研讨会,且是第三次在中国举行,研讨会由高能所主办。  本次参研讨会人员约360人,其中约105人来自欧美的研究机构、大学,本次大会亮点之一是有来自国内企业的
64 位代表参加了 CEPC 企业共进会(CIPC)
的特别会场,数量较上一届明显增加。企业代表的积极参与可为 CEPC
的建成献策献力,并且 CEPC
的技术也会促进国内产业的进步和升级。CIPC分会场共安排52
场报告,约占报告总数的
20%。  此外,会议还邀请了欧洲的同类项目未来环形对撞机(FCC)、国际直线对撞机(ILC)、紧凑型直线对撞机(CLIC)等研究团队的代表参加。参会代表们对未来的高能正负电子对撞机的物理研究机遇、加速器、探测器和软件等多方面的关键技术问题做了报告和研讨,也对如何推动项目及不同国家之间、不同研究所、大学之间合作方式进行了广泛深入的讨论。外国科学家对CEPC设计优化、关键技术研究的进展和成绩给与了高度评价。  本次研讨会是CEPC的一次重要会议,参会人数也达到历史新高。根据去年国际顾问委员会的建议,会议组分别成立了“
CEPC国际加速器评审委员会” 和“CEPC
探测器预研委员会”,且在研讨会期间召开了各自的第一次集体会议。两个委员会的成立是
CEPC 预研的一个里程碑,这代表国际高能界水平的专家力量已开始深入参加CEPC
研究活动、贡献自己的智慧和经验,并能在大方向上给出非常有价值的指导。  环形正负电子对撞机(CEPC)是我国粒子物理学界发起建造Higgs粒子工厂和国际大科学装置,其主要用于对希格斯粒子进行精确测量和探测新物理。CEPC可大量产生Z、W玻色子,可以精确研究标准模型中的电弱物理、味物理、QCD及顶夸克(升级后)物理。2018年11月,CEPC团队正式发布了概念设计报告,后进入设计优化和关键技术预研究阶段。  
标签: 对撞机

环形正负电子对撞机是我国高能物理学界于2012年提出的面向未来的大型粒子对撞机项目,其最终规模将数倍于目前世界上最大、能量最高的粒子对撞机,也因此被称作中国“超级对撞机”。

研讨会上,CEPC项目经理、高能所研究员娄辛丑就中国发起的大学装置“高能环形正负电子对撞机”项目作了总体概览。随后,芝加哥大学教授王连涛、高能所研究员Joao
Guimaraes da
Costa和高杰分别围绕物理动机、探测器设计及物理模拟和加速器设计三项主要议题分别作了精彩的大会报告。

9] Lou X C. Presentation at ICHEP 2018,July 2018,Seoul.报告题目:The
Circular Electron Positron Collider, An Informal
Report.

王贻芳表示,该计划提出后随即启动该项目的预研,项目团队仅用两年多时间就发布了CEPC的初步概念设计报告,随后顺利通过国际评审并获得积极评价。之后,CEPC的设计和预研究团队又经过3年努力,取得里程碑式进展——正式完成概念设计报告并得到国际专家的肯定。

4月19日至21日,“高能环形正负电子对撞机”2017春季研讨会在华中师范大学举办。来自中国大陆、台湾地区,美国、意大利、塞尔维亚等多所国内外高校、科研单位的180多位专家学者到华中师范大学交流CEPC的最新预研究的成果、进展并针对未来物理和预研究进行研讨。

图5 模拟产生的CEPC上的Higgs 事例

当天,王贻芳也透露,在CEPC的建设之前,必须以概念设计报告为基础完成关键技术预研,项目团队计划于2018-2022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。CEPC预期于十四五开始建设,并于2030年前竣工。

会议现场

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

他还提到,CEPC初步实验计划是在质心能量240GeV处运行7年来研究希格斯玻色子,随后2年在91GeV处运行用来研究Z玻色子和重味物理,另外计划一年时间在160GeV附近研究W玻色子物理。CEPC未来可能发展方向之一是升级为一个超级质子质子对撞机,质心能量将达到100TeV,可以在大范围内直接寻找新的物理现象和物理规律。

图片 1

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。

翻阅概念设计报告,其第一卷——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。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,以及讨论了CEPC升级的可能选项。第二卷——探测器和物理卷则展示了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。

为进一步吸引全世界的高能物理专家参加CEPC合作、使CEPC成为一个拥有广泛国际合作的世界性大科学装置中心,CEPC的指导委员会决定于2017年11月初在高能所举行第一次CEPC国际研讨会和国际顾问委员会会议,会议将根据研讨结果和国际顶级专家的建议推进CEPC的国际化,促进国际一流水平的大型高能物理实验装置和科学中心的建成。

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。

亚洲高能物理委员会主席、台湾大学教授侯唯恕则代表亚洲高能物理委员会成员表达了祝贺:“这项工作的严肃性在全世界引起了越来越多的关注,并为下一步的《技术设计报告》和工程设计以及未来建设计划时间表的可行性奠定了良好基础。愿你们的毅力和努力结出硕果,能让未来亚洲真正拥有占世界主导地位的高能物理大型科学装置。”

本次研讨共有学术报告约100个,并安排了充分的讨论时间。在随后举行的四个分会则分别就物理、探测器设计和优化、高能环形正负电子对撞机、超级质子质子对撞机四个预研专题专题展开深入研讨;本次研讨会也是CEPC项目国际化的筹备会议。

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

环形正负电子对撞机概念图

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。

2017年诺贝尔物理学奖获得者、加州理工大学教授Barry
Barish曾领导LIGO实验发现引力波,他向中国CEPC项目团队发来祝贺,其中提到:“加速器的发展历史是实现越来越高的能量,并在过去几十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!衷心祝贺CEPC《概念设计报告》团队做了如此出色的工作。”

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

11月14日,中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所所长、环形正负电子对撞机指导委员会主席王贻芳代表CEPC研究工作组,正式发布CEPC两卷概念设计报告,分别是《概念设计报告——加速器卷》和《概念设计报告——探测器和物理卷》,其中提到,项目团队计划于2018-2022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。

图8 CEPC上的基线探测器剖面图

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Geoffrey
Taylor称,概念设计报告的出炉,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。”

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]。

中国CEPC机构委员会主席、北京大学教授高原宁表示,概念设计报告出炉标志着项目团队完成了整个项目的加速器、探测器和土木工程的基本设计。“下一步将重点关注CEPC关键技术和原型机的研发,希望今后能得到政府的积极回应。”他说。

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”。

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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。

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:

7]

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。

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]。

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

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。”

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。

6] CEPC Preliminary Design Report,2015.
http://cepc.ihep.ac.cn/preCDR/volume.html

参考文献

图12 高场超导二极磁体样机及其性能测试结果

本文经中国物理学会期刊网微信公众号授权转载

4 CEPC 对高精尖技术的依赖和推动

11] The CEPC Study group. The CEPC input for the European Strategy for
Particle Physics,2019. arXiv:1901.03169,1901.02170