近日，最新一期CERN Courier關(guān)注全球粒子物理發(fā)展動(dòng)態(tài)，發(fā)布了國際未來(lái)對撞機可行性研究的主要成果，介紹了歐洲的未來(lái)環(huán)形對撞機（FCC-ee）項目、中國的環(huán)形正負電子對撞機（CEPC）項目，以及美國關(guān)注的繆子對撞機。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《中國設計的未來(lái)環(huán)形對撞機》在本期發(fā)布，詳細介紹了中國的CEPC項目的物理目標、規劃和技術(shù)預研成果。我國科學(xué)家提出的CEPC項目已成為全球未來(lái)粒子物理發(fā)展規劃的重要組成部分。
粒子物理研究物質(zhì)的最基本結構，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(lài)大科學(xué)裝置，包括加速器、探測器等。相關(guān)技術(shù)與設備尖端領(lǐng)先，為當今社會(huì )發(fā)展做出極大貢獻，如萬(wàn)維網(wǎng)、同步輻射光源、散裂中子源、質(zhì)子/中子治癌、醫療影像與安檢設備等。大科學(xué)裝置的設計與建設也引領(lǐng)了眾多領(lǐng)域的發(fā)展，是國際科技創(chuàng )新的高地，也是世界各國的戰略必爭領(lǐng)域。2012年，歐洲核子研究中心（CERN）發(fā)現了希格斯玻色子（Higgs），為我們打開(kāi)了一扇通往宇宙未知領(lǐng)域的大門(mén)。此后，全球高能物理界就將e+e- 希格斯工廠(chǎng)作為大型強子對撞機（LHC）之后的下一代對撞機的重要性達成了共識。2012年我國科學(xué)家在國際上率先提出應該建設環(huán)形正負電子對撞的Higgs工廠(chǎng)——CEPC，目前已完成概念設計報告（2018年）和加速器技術(shù)設計報告（2023年），關(guān)鍵技術(shù)預研取得突破，推動(dòng)了我國高頻超導腔、高效速調管、磁鐵、真空、束測、電源、半導體探測器、ASIC芯片等核心技術(shù)達到國際水平。
CERN Courier是全球高能物理界的重要讀物，重點(diǎn)介紹全球粒子物理和相關(guān)領(lǐng)域的最新發(fā)展。
附文章：中國設計的未來(lái)環(huán)形對撞機
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：
中國設計的未來(lái)環(huán)形對撞機
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)形正負電子對撞機的加速器技術(shù)設計報告的完成標志著(zhù)邁向建設的一個(gè)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律是人類(lèi)的一項偉大事業(yè)。在粒子物理學(xué)領(lǐng)域，實(shí)現這一目標的最有效方法是通過(guò)強大的高能加速器。2012 年 7 月，歐洲核子研究中心（CERN）發(fā)現了質(zhì)量約為 125 GeV 的希格斯玻色子，為我們打開(kāi)了一扇通往宇宙未知領(lǐng)域的大門(mén)。希格斯玻色子不僅是標準模型（SM）的核心，也是許多謎團的中心。這些謎團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(wèn)題、真空的穩定性，以及標準模型之外有關(guān)自然的許多其他相關(guān)基本問(wèn)題，如物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱(chēng)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，是探索標準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(lái)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（CEPC）和超級質(zhì)子-質(zhì)子對撞機（SppC），面向粒子物理的宏偉目標，并與直線(xiàn)對撞機和μ子對撞機互為補充。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-)和強子-強子未來(lái)環(huán)形對撞機（FCC）。
從那時(shí)起，全球高能物理界就將e+e- 希格斯工廠(chǎng)作為大型強子對撞機(LHC)之后的下一個(gè)對撞機的重要性達成了共識。在歐洲，2020 年更新的歐洲粒子物理戰略認為建造希格斯工廠(chǎng)具有最高優(yōu)先級，而美國Snowmass2021領(lǐng)域規劃研究和隨后于 2023 年 12 月發(fā)布的 P5 報告也強調了海外希格斯工廠(chǎng)的重要性。CEPC的科學(xué)家也為上述兩項戰略研究做出了積極貢獻。同時(shí)，日本在2012年提出了建造國際直線(xiàn)對撞機（ILC）希格斯工廠(chǎng)的建議，并于2017年提出了新的基線(xiàn)設計，即從250 GeV而不是500 GeV的對撞能量開(kāi)始。在中國，于2013 年和 2016 年召開(kāi)的的第464次和第572次香山科學(xué)會(huì )議的結論均認為 “CEPC是國家發(fā)展以加速器為基礎的高能物理計劃的最佳途徑和重大歷史機遇”。2023 年，在中國科學(xué)院的戰略規劃研究中，CEPC 被評價(jià)為未來(lái)最重要的粒子加速器。在此之前，國際未來(lái)加速器委員會(huì )（ICFA）于 2022 年4月發(fā)表聲明：“再次確認了希格斯工廠(chǎng)作為實(shí)現粒子物理科學(xué)目標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(chǎng)提案。在2018年11月發(fā)表CEPC概念設計報告(CDR)5年后，CEPC加速器的技術(shù)設計報告（TDR）現已完成，該報告長(cháng)達1000多頁(yè)，是國際上第一個(gè)基于環(huán)形對撞機的希格斯工廠(chǎng)的技術(shù)設計報告。
CEPC是一個(gè)環(huán)形希格斯工廠(chǎng)，它由四個(gè)加速器組成：一個(gè)30 GeV的直線(xiàn)加速器、一個(gè)1.1 GeV的阻尼環(huán)、一個(gè)能量高達 180 GeV的增強器，以及一個(gè)在四種不同能量模式下運行的對撞機，質(zhì)心能量分別對應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(xiàn)連接。直線(xiàn)加速器和阻尼環(huán)將建在地表，而增強器和對撞機將建在周長(cháng)為100 公里的地下環(huán)形隧道中，并為以后的強子對撞機 SppC預留寬度空間。
進(jìn)入地下： CEPC 布局（左）和采用鉆爆法的隧道橫截面（右），顯示外側為 SppC 環(huán)和低溫模塊（綠色和紅色），內側為 CEPC增強器（紫色）和對撞機環(huán)（藍色）。資料來(lái)源：高能所
聚焦CEPC
CEPC對撞機采用雙環(huán)結構，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(gè)相互作用對撞點(diǎn)發(fā)生對撞。100公里周長(cháng)的全能量CEPC 增強器位于同一隧道中對撞機上方的隧道頂部，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，將采用補充注入的方式。1.8公里長(cháng)的直線(xiàn)加速器是增強器的注入器，利用S波段和C波段射頻加速系統對電子和正電子進(jìn)行加速，并配備一個(gè)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的后續項目將是 SppC，這是一個(gè)質(zhì)子-質(zhì)子對撞機，其對撞質(zhì)心能量高達125TeV。地下隧道將建在堅硬的巖石中，并將使用隧道掘進(jìn)機或鉆爆法進(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(shí)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(cháng)期可能性。此外，CEPC還將配置兩條伽馬射線(xiàn)光束線(xiàn)，作為高能同步輻射光源運行，將可用的同步輻射頻譜擴展到前所未有的能量（從100 keV到超過(guò)100 MeV）和亮度范圍。作為注入器的30GeV直線(xiàn)加速器還可以通過(guò)增加一個(gè)波蕩器產(chǎn)生高能X射線(xiàn)自由電子激光。
目標計劃
CEPC的物理目標和運行計劃遵循“10-2-1-5”計劃，即10年作為希格斯工廠(chǎng)，2年作為 Z工廠(chǎng)，1年作為W工廠(chǎng)，并有可能在 ttbar能量下再運行5年。四種對撞模式（對應于H、Z、WW 和ttbar生產(chǎn)）的同步輻射功率基線(xiàn)為每束30 兆瓦。CEPC還考慮通過(guò)將每束同步輻射功率提高50兆瓦來(lái)升級亮度，使240GeV 時(shí)的亮度達到 8 × 1034cm2s-1。根據亮度升級計劃，兩個(gè)CEPC 探測器將產(chǎn)生430 萬(wàn)個(gè)希格斯玻色子、4.1萬(wàn)億個(gè)Z玻色子、2.1億個(gè)W玻色子和60萬(wàn)個(gè)ttbar 對。
CEPC 概念設計報告完成后，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，強調了最高亮度、H、Z、W 和 ttbar能量的覆蓋范圍，以及技術(shù)研發(fā)、土木工程設計、國際合作和工業(yè)參與的全部?jì)热荨?/span>
在磁聚焦結構采用了較小的發(fā)射度以提高亮度，動(dòng)力學(xué)孔徑（包括四種能量的各種誤差）符合設計目標，束-束相互作用和集體效應已得到檢驗，在對撞點(diǎn)采用了直徑為 20厘米的中央鈹管，對機器-探測器接口進(jìn)行了優(yōu)化。增強器采用了理論上最小發(fā)射率的磁鐵聚焦設計，注入能量提高到30GeV，引出能量高達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連續波長(cháng)高效速調管（右）。資料來(lái)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(dòng)涵蓋了對撞環(huán)和增強器磁體、對撞區超導四極鐵、NEG涂層真空盒、超導低溫模組、低溫系統、連續波長(cháng)高效速調管、磁體電源、機械、S波段和C波段直線(xiàn)加速器和正電子源、阻尼環(huán)、束測和反饋、控制系統、校準測量和準直安裝、輻射防護和環(huán)境等方面。
舉三個(gè)例子：首先，CEPC 1.3GHz 8×9單元腔低溫模組的品質(zhì)因數/加速梯度達到 3.4×1010/23 MVm-1，超過(guò)了增強器的設計指標（見(jiàn)“CEPC 技術(shù)”，左圖）。其次，CEPC 650MHz單腔在2K時(shí)經(jīng)過(guò)電拋光處理達到2.3 ×1010/41.6 MVm-1，經(jīng)過(guò)中溫處理達到6.3×1010/31MVm-1。第三，高能所研發(fā)了三臺對撞環(huán)用 650MHz/800 kW連續波高效速調管，其中第二臺速調管（見(jiàn) “CEPC 技術(shù)”，右圖）在脈沖模式下 達到849kW 輸出功率，效率達到77.2%（在連續波模式下800 kW的效率設計值為77%）。第三臺是多束速調管，設計效率目標是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(guò)大力推動(dòng)CEPC產(chǎn)業(yè)促進(jìn)聯(lián)盟工業(yè)界參與和貢獻的結果。
增強器研發(fā)：CEPC增強器的全尺寸二極磁鐵樣機。資料來(lái)源：高能所
高能雄心
作為未來(lái)高能物理及其他領(lǐng)域戰略技術(shù)研發(fā)的一部分，CEPC團隊提出了另一種使束流能量從10GeV到30GeV的束流驅動(dòng)等離子體注入器備選方案。為了研發(fā)和驗證未來(lái)直線(xiàn)對撞機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(dòng)了中科院資助的等離子體加速實(shí)驗計劃（先導B），利用BEPCII（亮度為1033 cm-2s-1@1.89 GeV e+e-對撞機）的注入器直線(xiàn)加速器作為部分實(shí)驗設施，總經(jīng)費達9千萬(wàn)元人民幣。
SppC與CEPC相結合，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(chǎng)相比，未來(lái)的強子對撞機成本更高，技術(shù)難度更大。在開(kāi)始建設之前，必須充分解決高場(chǎng)（20 T或更高）超導磁體、低溫環(huán)境中的同步輻射以及用于失超保護的精密束流準直系統等關(guān)鍵問(wèn)題。
SppC將基于高溫鐵基超導體的高磁場(chǎng)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(chǎng)強度潛能（>30 T）和更低的成本，并在過(guò)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(guò)100米的鐵基“7芯”超導導線(xiàn)，到 2022年，在10T和4.2K下的電流密度達到了450A/mm2。
假設SppC有兩個(gè)對撞點(diǎn)，運行時(shí)間為20-30年，預計每個(gè)對撞點(diǎn)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節能措施。
從2019年到2022年，國際加速器評審委員會(huì )對CEPC的加速器技術(shù)設計報告階段預研工作進(jìn)行了指導。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月由國內委員會(huì )評估。CEPC 總造價(jià)預計為人民幣364 億元（約合 51.5億美元），其中加速器、基礎設施和實(shí)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(diǎn)中，秦皇島、湖州和長(cháng)沙三個(gè)候選地點(diǎn)已在TDR中進(jìn)行了研究。
圣誕快樂(lè ): 2023年12月25日正式發(fā)布CEPC加速器技術(shù)設計報告。來(lái)源：高能所
2023年10月底，CEPC國際顧問(wèn)委員會(huì )（IAC）支持CEPC技術(shù)設計報告TDR國際評估的結論，即CEPC加速器團隊已做好進(jìn)入工程設計報告（EDR）階段的充分準備。11月，CEPC-SppC 的提案在國際未來(lái)加速器委員會(huì )（ICFA）在德國DESY召開(kāi)的ICFA研討會(huì )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)展和現狀，CEPC探測器團隊已經(jīng)開(kāi)展了全方位的研發(fā)，包括頂點(diǎn)像素探測器、硅徑跡探測器、時(shí)間投影室和漂移室、飛行時(shí)間探測器、量能器、高溫超導螺線(xiàn)管磁鐵和探測器機械設計等。這些研發(fā)工作還得益于BESIII過(guò)去的經(jīng)驗（特別是有關(guān)漂移室和超導磁體的經(jīng)驗）以及高亮度大型強子對撞機（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參考設計始于2024年1月，并將在CEPC EDR階段 （2024年-2027年）內于 2025 年中期完成。
EDR和時(shí)間表
目標是在2025年左右將CEPC方案（包括加速器、探測器和工程設計）提交中國政府選擇，希望在2027年左右開(kāi)工建設，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(huì )進(jìn)行評估。
關(guān)于CEPC的進(jìn)展，中國科學(xué)院正在規劃第“十五五”規劃中的大科學(xué)工程，并于2022年成立了由中科院院長(cháng)擔任主席的指導委員會(huì )。高能物理與核物理是中國科學(xué)院 “十五五” 規劃中的八大領(lǐng)域之一，目前已遴選出九項建議，并通過(guò)了公開(kāi)的評審。CEPC在各委員會(huì )（包括三個(gè)國內委員會(huì )和一個(gè)國際咨詢(xún)委員會(huì )）評審中排名第一（評審結果不確定性最小）。最終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凝聚了數千名國內外科學(xué)家和工程師多年的努力和心血。這一設施將在世界高能物理界的未來(lái)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(shí)促進(jìn)廣泛的研究與合作，探索技術(shù)前沿。
更多閱讀
CEPC 研究團隊，2018 arXiv:1809.00285 和 1811.10545.
CEPC 加速器研究團隊，2019 arXiv:1901.03169 和 1901.03170.
CEPC 加速器研究團隊，2022 arXiv:2203.09451 和 2205.08553.
CEPC 加速器研究團隊，2023 arXiv:2312.14363.
作者：高杰1,2，李煜輝1,2，于程輝1?
- 中國科學(xué)院高能物理研究所
- 中國科學(xué)院大學(xué)。
附件下載：
