近日，最新一期CERN Courier關(guān)注全球粒子物理發(fā)展動態(tài)，發(fā)布了國際未來對撞機(jī)可行性研究的主要成果，介紹了歐洲的未來環(huán)形對撞機(jī)（FCC-ee）項目、中國的環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)（CEPC）項目，以及美國關(guān)注的繆子對撞機(jī)。由中國科學(xué)院高能物理研究所高杰、李煜輝、于程輝等人署名的文章《中國設(shè)計的未來環(huán)形對撞機(jī)》在本期發(fā)布，詳細(xì)介紹了中國的CEPC項目的物理目標(biāo)、規(guī)劃和技術(shù)預(yù)研成果。我國科學(xué)家提出的CEPC項目已成為全球未來粒子物理發(fā)展規(guī)劃的重要組成部分。

粒子物理研究物質(zhì)的最基本結(jié)構(gòu)，包括基本粒子的組成、性質(zhì)及其與宇宙的起源與演化的關(guān)系。其研究手段主要依賴大科學(xué)裝置，包括加速器、探測器等。相關(guān)技術(shù)與設(shè)備尖端領(lǐng)先，為當(dāng)今社會發(fā)展做出極大貢獻(xiàn)，如萬維網(wǎng)、同步輻射光源、散裂中子源、質(zhì)子/中子治癌、醫(yī)療影像與安檢設(shè)備等。大科學(xué)裝置的設(shè)計與建設(shè)也引領(lǐng)了眾多領(lǐng)域的發(fā)展，是國際科技創(chuàng)新的高地，也是世界各國的戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域。2012年，歐洲核子研究中心（CERN）發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子（Higgs），為我們打開了一扇通往宇宙未知領(lǐng)域的大門。此后，全球高能物理界就將e+e- 希格斯工廠作為大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）之后的下一代對撞機(jī)的重要性達(dá)成了共識。2012年我國科學(xué)家在國際上率先提出應(yīng)該建設(shè)環(huán)形正負(fù)電子對撞的Higgs工廠——CEPC，目前已完成概念設(shè)計報告（2018年）和加速器技術(shù)設(shè)計報告（2023年），關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研取得突破，推動了我國高頻超導(dǎo)腔、高效速調(diào)管、磁鐵、真空、束測、電源、半導(dǎo)體探測器、ASIC芯片等核心技術(shù)達(dá)到國際水平。

CERN Courier是全球高能物理界的重要讀物，重點介紹全球粒子物理和相關(guān)領(lǐng)域的最新發(fā)展。

附文章：中國設(shè)計的未來環(huán)形對撞機(jī)

China’s designs for a future circular collider

CERN Courier Volume 64,Number 2,pp. 39-42,March/April 2024

https://cds.cern.ch/record/2893513

以下為原文翻譯：

中國設(shè)計的未來環(huán)形對撞機(jī)

China’s designs for a future circular collider

CERN Courier Volume 64, Number 2, pp. 39-42, March/April 2024

https://cds.cern.ch/record/2893513

2024 年 3 月 27 日

中國擬建的環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)的加速器技術(shù)設(shè)計報告的完成標(biāo)志著邁向建設(shè)的一個里程碑。作者：高杰，李煜輝，于程輝

揭示宇宙及其演化的基本規(guī)律是人類的一項偉大事業(yè)。在粒子物理學(xué)領(lǐng)域，實現(xiàn)這一目標(biāo)的最有效方法是通過強(qiáng)大的高能加速器。2012 年 7 月，歐洲核子研究中心（CERN）發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量約為 125 GeV 的希格斯玻色子，為我們打開了一扇通往宇宙未知領(lǐng)域的大門。希格斯玻色子不僅是標(biāo)準(zhǔn)模型（SM）的核心，也是許多謎團(tuán)的中心。這些謎團(tuán)包括弱尺度和普朗克尺度之間的巨大能差、電弱相變的性質(zhì)、質(zhì)量的起源、自然性問題、真空的穩(wěn)定性，以及標(biāo)準(zhǔn)模型之外有關(guān)自然的許多其他相關(guān)基本問題，如物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱的起源和暗物質(zhì)的性質(zhì)。

對希格斯玻色子性質(zhì)的精確測量，是探索標(biāo)準(zhǔn)模型及其他基本物理原理的探針。為此，2012年9月，中國科學(xué)家提出了由中國來主持的作為國際性的大科學(xué)項目：環(huán)形電子-正電子對撞機(jī)（CEPC）和超級質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)（SppC），面向粒子物理的宏偉目標(biāo)，并與直線對撞機(jī)和μ子對撞機(jī)互為補(bǔ)充。大約在同一階段，歐洲核子研究中心（CERN）的物理學(xué)家們提出了正電子-電子(e+e-)和強(qiáng)子-強(qiáng)子未來環(huán)形對撞機(jī)（FCC）。

從那時起，全球高能物理界就將e+e- 希格斯工廠作為大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)之后的下一個對撞機(jī)的重要性達(dá)成了共識。在歐洲，2020 年更新的歐洲粒子物理戰(zhàn)略認(rèn)為建造希格斯工廠具有最高優(yōu)先級，而美國Snowmass2021領(lǐng)域規(guī)劃研究和隨后于 2023 年 12 月發(fā)布的 P5 報告也強(qiáng)調(diào)了海外希格斯工廠的重要性。CEPC的科學(xué)家也為上述兩項戰(zhàn)略研究做出了積極貢獻(xiàn)。同時，日本在2012年提出了建造國際直線對撞機(jī)（ILC）希格斯工廠的建議，并于2017年提出了新的基線設(shè)計，即從250 GeV而不是500 GeV的對撞能量開始。在中國，于2013 年和 2016 年召開的的第464次和第572次香山科學(xué)會議的結(jié)論均認(rèn)為 “CEPC是國家發(fā)展以加速器為基礎(chǔ)的高能物理計劃的最佳途徑和重大歷史機(jī)遇”。2023 年，在中國科學(xué)院的戰(zhàn)略規(guī)劃研究中，CEPC 被評價為未來最重要的粒子加速器。在此之前，國際未來加速器委員會（ICFA）于 2022 年4月發(fā)表聲明：“再次確認(rèn)了希格斯工廠作為實現(xiàn)粒子物理科學(xué)目標(biāo)重中之重的這一重要國際共識”，并表示支持世界各地的希格斯工廠提案。在2018年11月發(fā)表CEPC概念設(shè)計報告(CDR)5年后，CEPC加速器的技術(shù)設(shè)計報告（TDR）現(xiàn)已完成，該報告長達(dá)1000多頁，是國際上第一個基于環(huán)形對撞機(jī)的希格斯工廠的技術(shù)設(shè)計報告。

CEPC是一個環(huán)形希格斯工廠，它由四個加速器組成：一個30 GeV的直線加速器、一個1.1 GeV的阻尼環(huán)、一個能量高達(dá) 180 GeV的增強(qiáng)器，以及一個在四種不同能量模式下運行的對撞機(jī)，質(zhì)心能量分別對應(yīng)ZH 產(chǎn)生（240 GeV）、Z 極（91 GeV）、W+W-（160 GeV）和 ttbar（360 GeV）。這些加速器由10條傳輸線連接。直線加速器和阻尼環(huán)將建在地表，而增強(qiáng)器和對撞機(jī)將建在周長為100 公里的地下環(huán)形隧道中，并為以后的強(qiáng)子對撞機(jī) SppC預(yù)留寬度空間。

進(jìn)入地下： CEPC 布局（左）和采用鉆爆法的隧道橫截面（右），顯示外側(cè)為 SppC 環(huán)和低溫模塊（綠色和紅色），內(nèi)側(cè)為 CEPC增強(qiáng)器（紫色）和對撞機(jī)環(huán)（藍(lán)色）。資料來源：高能所

聚焦CEPC

CEPC對撞機(jī)采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，電子束和正電子束在不同的束管中以相反的方向循環(huán)，并在將安裝大型探測器的兩個相互作用對撞點發(fā)生對撞。100公里周長的全能量CEPC 增強(qiáng)器位于同一隧道中對撞機(jī)上方的隧道頂部，具有同步加速器的功能，其注入能量為 30GeV，引出能量等于束流對撞能量。為了保持恒定的亮度，將采用補(bǔ)充注入的方式。1.8公里長的直線加速器是增強(qiáng)器的注入器，利用S波段和C波段射頻加速系統(tǒng)對電子和正電子進(jìn)行加速，并配備一個阻尼環(huán)以減少正電子發(fā)射度。作為一種備選，極化束流方案也在研究之中。

CEPC的后續(xù)項目將是 SppC，這是一個質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)，其對撞質(zhì)心能量高達(dá)125TeV。地下隧道將建在堅硬的巖石中，并將使用隧道掘進(jìn)機(jī)或鉆爆法進(jìn)行挖掘，隧道寬度可在不拆除CEPC的情況下安裝SppC。除了CEPC的e+e-和SppC 的質(zhì)子-質(zhì)子和離子-離子對撞物理實驗之外，這種獨特的布局還為電子-質(zhì)子和電子-離子對撞物理提供了令人興奮的長期可能性。此外，CEPC還將配置兩條伽馬射線光束線，作為高能同步輻射光源運行，將可用的同步輻射頻譜擴(kuò)展到前所未有的能量（從100 keV到超過100 MeV）和亮度范圍。作為注入器的30GeV直線加速器還可以通過增加一個波蕩器產(chǎn)生高能X射線自由電子激光。

目標(biāo)計劃

CEPC的物理目標(biāo)和運行計劃遵循“10-2-1-5”計劃，即10年作為希格斯工廠，2年作為 Z工廠，1年作為W工廠，并有可能在 ttbar能量下再運行5年。四種對撞模式（對應(yīng)于H、Z、WW 和ttbar生產(chǎn)）的同步輻射功率基線為每束30 兆瓦。CEPC還考慮通過將每束同步輻射功率提高50兆瓦來升級亮度，使240GeV 時的亮度達(dá)到 8 × 10³⁴cm²s^-1。根據(jù)亮度升級計劃，兩個CEPC 探測器將產(chǎn)生430 萬個希格斯玻色子、4.1萬億個Z玻色子、2.1億個W玻色子和60萬個ttbar 對。

CEPC 概念設(shè)計報告完成后，加速器進(jìn)入了為期五年的TDR研究階段，在此期間對設(shè)計進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。最終TDR報告于2023年12月25 日發(fā)布，強(qiáng)調(diào)了最高亮度、H、Z、W 和 ttbar能量的覆蓋范圍，以及技術(shù)研發(fā)、土木工程設(shè)計、國際合作和工業(yè)參與的全部內(nèi)容。

在磁聚焦結(jié)構(gòu)采用了較小的發(fā)射度以提高亮度，動力學(xué)孔徑（包括四種能量的各種誤差）符合設(shè)計目標(biāo)，束-束相互作用和集體效應(yīng)已得到檢驗，在對撞點采用了直徑為 20厘米的中央鈹管，對機(jī)器-探測器接口進(jìn)行了優(yōu)化。增強(qiáng)器采用了理論上最小發(fā)射率的磁鐵聚焦設(shè)計，注入能量提高到30GeV，引出能量高達(dá)180 GeV。

CEPC技術(shù)：高能所研制并測試的1.3 GHz 8×9單元腔低溫模組（左）和650 MHz 800kW連續(xù)波長高效速調(diào)管（右）。資料來源：高能所

CEPC加速器的技術(shù)研發(fā)工作與高能所正在建造的第四代6GeV高能光源項目（HEPS）協(xié)同進(jìn)行。這些研發(fā)活動涵蓋了對撞環(huán)和增強(qiáng)器磁體、對撞區(qū)超導(dǎo)四極鐵、NEG涂層真空盒、超導(dǎo)低溫模組、低溫系統(tǒng)、連續(xù)波長高效速調(diào)管、磁體電源、機(jī)械、S波段和C波段直線加速器和正電子源、阻尼環(huán)、束測和反饋、控制系統(tǒng)、校準(zhǔn)測量和準(zhǔn)直安裝、輻射防護(hù)和環(huán)境等方面。

舉三個例子：首先，CEPC 1.3GHz 8×9單元腔低溫模組的品質(zhì)因數(shù)/加速梯度達(dá)到 3.4×10¹⁰/23 MVm^-1，超過了增強(qiáng)器的設(shè)計指標(biāo)（見“CEPC 技術(shù)”，左圖）。其次，CEPC 650MHz單腔在2K時經(jīng)過電拋光處理達(dá)到2.3 ×10¹⁰/41.6 MVm^-1，經(jīng)過中溫處理達(dá)到6.3×10¹⁰/31MVm^-1。第三，高能所研發(fā)了三臺對撞環(huán)用 650MHz/800 kW連續(xù)波高效速調(diào)管，其中第二臺速調(diào)管（見 “CEPC 技術(shù)”，右圖）在脈沖模式下 達(dá)到849kW 輸出功率，效率達(dá)到77.2%（在連續(xù)波模式下800 kW的效率設(shè)計值為77%）。第三臺是多束速調(diào)管，設(shè)計效率目標(biāo)是80.5%，其電子源目前正在進(jìn)行測試。CEPC加速器TDR所取得的成就也是通過大力推動CEPC產(chǎn)業(yè)促進(jìn)聯(lián)盟工業(yè)界參與和貢獻(xiàn)的結(jié)果。

增強(qiáng)器研發(fā)：CEPC增強(qiáng)器的全尺寸二極磁鐵樣機(jī)。資料來源：高能所

高能雄心

作為未來高能物理及其他領(lǐng)域戰(zhàn)略技術(shù)研發(fā)的一部分，CEPC團(tuán)隊提出了另一種使束流能量從10GeV到30GeV的束流驅(qū)動等離子體注入器備選方案。為了研發(fā)和驗證未來直線對撞機(jī)所需的等離子體加速器技術(shù)，如正電子加速、級聯(lián)加速和高品質(zhì)束流產(chǎn)生，高能所于2023年9月啟動了中科院資助的等離子體加速實驗計劃（先導(dǎo)B），利用BEPCII（亮度為10³³ cm^-2s^-1@1.89 GeV e+e-對撞機(jī)）的注入器直線加速器作為部分實驗設(shè)施，總經(jīng)費達(dá)9千萬元人民幣。

SppC與CEPC相結(jié)合，不僅能提供前所未有的希格斯玻色子測量精度，還能探索新物理領(lǐng)域更大的區(qū)域，將我們對物理世界的理解推向新的高度。與希格斯粒子工廠相比，未來的強(qiáng)子對撞機(jī)成本更高，技術(shù)難度更大。在開始建設(shè)之前，必須充分解決高場（20 T或更高）超導(dǎo)磁體、低溫環(huán)境中的同步輻射以及用于失超保護(hù)的精密束流準(zhǔn)直系統(tǒng)等關(guān)鍵問題。

SppC將基于高溫鐵基超導(dǎo)體的高磁場磁體作為其主要技術(shù)發(fā)展途徑。與目前使用的 NbTi/Nb3Sn 技術(shù)相比，該技術(shù)具有更高的磁場強(qiáng)度潛能（>30 T）和更低的成本，并在過去八年中與產(chǎn)業(yè)界合作共同取得了重大進(jìn)展。2016年，制作了超過100米的鐵基“7芯”超導(dǎo)導(dǎo)線，到 2022年，在10T和4.2K下的電流密度達(dá)到了450A/mm²。

假設(shè)SppC有兩個對撞點，運行時間為20-30年，預(yù)計每個對撞點的峰值亮度為10³⁵ cm^-2s^-1，積分度約為30 ab^-1。為了進(jìn)一步降低SppC和CEPC的能耗（在 ZH能量下，同步輻射功率為每束30兆瓦，總能耗為262兆瓦），目前正在研究各種相應(yīng)節(jié)能措施。

從2019年到2022年，國際加速器評審委員會對CEPC的加速器技術(shù)設(shè)計報告階段預(yù)研工作進(jìn)行了指導(dǎo)。2023年6月和9月，CEPC加速器TDR和成本國際評估在香港科技大學(xué)進(jìn)行，土木工程成本于2023年6月由國內(nèi)委員會評估。CEPC 總造價預(yù)計為人民幣364 億元（約合 51.5億美元），其中加速器、基礎(chǔ)設(shè)施和實驗分別占人民幣190億元、101億元和40億元。在所有CEPC候選地點中，秦皇島、湖州和長沙三個候選地點已在TDR中進(jìn)行了研究。

圣誕快樂: 2023年12月25日正式發(fā)布CEPC加速器技術(shù)設(shè)計報告。來源：高能所

2023年10月底，CEPC國際顧問委員會（IAC）支持CEPC技術(shù)設(shè)計報告TDR國際評估的結(jié)論，即CEPC加速器團(tuán)隊已做好進(jìn)入工程設(shè)計報告（EDR）階段的充分準(zhǔn)備。11月，CEPC-SppC 的提案在國際未來加速器委員會（ICFA）在德國DESY召開的ICFA研討會上報告，并宣告CEPC加速器TDR正式完成。

關(guān)于CEPC探測器的技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)狀，CEPC探測器團(tuán)隊已經(jīng)開展了全方位的研發(fā)，包括頂點像素探測器、硅徑跡探測器、時間投影室和漂移室、飛行時間探測器、量能器、高溫超導(dǎo)螺線管磁鐵和探測器機(jī)械設(shè)計等。這些研發(fā)工作還得益于BESIII過去的經(jīng)驗（特別是有關(guān)漂移室和超導(dǎo)磁體的經(jīng)驗）以及高亮度大型強(qiáng)子對撞機(jī)（HL-LHC）的ATLAS和CMS探測器升級（如硅帶探測器和高粒度量量能器）。CEPC探測器TDR參考設(shè)計始于2024年1月，并將在CEPC EDR階段 （2024年-2027年）內(nèi)于 2025 年中期完成。

EDR和時間表

目標(biāo)是在2025年左右將CEPC方案（包括加速器、探測器和工程設(shè)計）提交中國政府選擇，希望在2027年左右開工建設(shè)，在2035年左右建成。加速器EDR 初步計劃已經(jīng)制定，將于2024年由國際加速器審查委員會進(jìn)行評估。

關(guān)于CEPC的進(jìn)展，中國科學(xué)院正在規(guī)劃第“十五五”規(guī)劃中的大科學(xué)工程，并于2022年成立了由中科院院長擔(dān)任主席的指導(dǎo)委員會。高能物理與核物理是中國科學(xué)院 “十五五” 規(guī)劃中的八大領(lǐng)域之一，目前已遴選出九項建議，并通過了公開的評審。CEPC在各委員會（包括三個國內(nèi)委員會和一個國際咨詢委員會）評審中排名第一（評審結(jié)果不確定性最?。Ｗ罱K報告已提交中國科學(xué)院審議。

CEPC一直被作為國際合作大科學(xué)項目，歡迎國際科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的參與和合作。CEPC加速器TDR凝聚了數(shù)千名國內(nèi)外科學(xué)家和工程師多年的努力和心血。這一設(shè)施將在世界高能物理界的未來發(fā)展計劃中發(fā)揮重要作用，它將以前所未有的程度加深我們對物質(zhì)、能量和宇宙的理解，同時促進(jìn)廣泛的研究與合作，探索技術(shù)前沿。

更多閱讀

CEPC 研究團(tuán)隊，2018 arXiv:1809.00285 和 1811.10545.

CEPC 加速器研究團(tuán)隊，2019 arXiv:1901.03169 和 1901.03170.

CEPC 加速器研究團(tuán)隊，2022 arXiv:2203.09451 和 2205.08553.

CEPC 加速器研究團(tuán)隊，2023 arXiv:2312.14363.

作者：高杰^1,2，李煜輝^1,2，于程輝^1?

1. 中國科學(xué)院高能物理研究所
2. 中國科學(xué)院大學(xué)。