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广东东莞召开正负电子对撞机谱仪和对撞区机械设计专题讨论会

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

广东东莞召开正负电子对撞机谱仪和对撞区机械设计专题讨论会。标签: 探测器

中国科学院高能物理研究所)

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。

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

1 粒子物理和标准模型

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。

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。

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。

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]广东东莞召开正负电子对撞机谱仪和对撞区机械设计专题讨论会。。

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]。

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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

2 Higgs 粒子工厂:强子Vs 正负电子,直线Vs环形

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。

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。

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图2 大型强子对撞机及其上的4个大型实验

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。

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。

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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

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。

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。

图片 4

图4 正负电子Higgs 工厂上亮度与质心能量的关系

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

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。

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。

图片 5

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]。

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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