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同步輻射是是什么？下雨天轉(zhuǎn)傘就知道了 | 謝治

作者：靳松 婁辛丑 阮曼奇 徐慶金 朱宏博

(中國科學(xué)院高能物理研究所)

粒子物理負(fù)責(zé)回答人類最古老、最深刻的兩個問題，即世界是由什么組成的，以及它們的運(yùn)行規(guī)則是什么。借助不斷進(jìn)步的技術(shù)手段，人類對這兩個問題的理解也在不斷加深。人們不斷發(fā)現(xiàn)原有理論的缺陷，在修正和革新中一步步完善對自然的認(rèn)識。

時至今日，我們對自然界的認(rèn)識被總結(jié)為粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型(Standard Model)。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了三種粒子：自旋為1/2 的費(fèi)米子，自旋為1 的規(guī)范玻色子，以及自旋為0 的Higgs 粒子(圖1)。在標(biāo)準(zhǔn)模型看來，我們的物質(zhì)世界由費(fèi)米子(自旋為1/2)組成，而運(yùn)行規(guī)律則通過玻色子(自旋為0或1)的交換來實現(xiàn)。這種交換不僅發(fā)生在費(fèi)米子之間，同樣也發(fā)生在玻色子之間(自相互作用)。費(fèi)米子和規(guī)范玻色子中的W、Z 粒子都通過和Higgs 場的相互作用獲得質(zhì)量，因此Higgs 場也被人們稱為質(zhì)量之源。

標(biāo)準(zhǔn)模型是一個極為成功的理論，它精確地描述、預(yù)言以及詮釋了粒子物理加速器實驗中觀測到的幾乎所有實驗現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)模型通過優(yōu)美的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)(規(guī)范場)統(tǒng)一描述了自然界中三大基本相互作用力：電磁力、弱力和強(qiáng)力。直至今天，標(biāo)準(zhǔn)模型的發(fā)展和驗證獲得了近三分之一的諾貝爾物理學(xué)獎。它不僅是粒子物理學(xué)科發(fā)展的主旋律，也是人類智慧的一首壯麗史詩。

雖然標(biāo)準(zhǔn)模型取得了巨大成功，它本身卻很難被認(rèn)為是一個終極理論。在對撞機(jī)實驗之外，標(biāo)準(zhǔn)模型無法解釋一系列極為重要、極為基本的自然之謎，比如暗物質(zhì)、暗能量、真空能、宇宙暴漲及演化、宇宙中物質(zhì)的正反不對稱性等一系列和宇宙演化相關(guān)的基本問題。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)模型導(dǎo)致了一系列的理論疑難。比如，標(biāo)準(zhǔn)模型中的頂夸克和電子在質(zhì)量上相差30 多萬倍，而在標(biāo)準(zhǔn)模型看來，這兩者的質(zhì)量起源是完全一致的——這是很難讓人信服的。在標(biāo)準(zhǔn)模型的面紗下，必然隱藏著大自然更深邃、更優(yōu)美的奧秘^[1，2]。

Higgs 粒子是我們進(jìn)一步理解自然的關(guān)鍵。它同標(biāo)準(zhǔn)模型中的絕大部分理論疑難直接相關(guān)。Higgs 粒子是標(biāo)準(zhǔn)模型中唯一的、自旋為0 的標(biāo)量粒子(圖1)。Higgs 場決定了所有粒子的質(zhì)量。質(zhì)量是物質(zhì)最基礎(chǔ)的屬性之一，因此，Higgs 場極大地決定了宇宙的面貌。比如，Higgs 場決定了電子的質(zhì)量，因此確定了原子的尺度；它決定了W、Z 粒子的質(zhì)量，進(jìn)而決定了弱相互作用的力程和強(qiáng)度。Higgs 粒子同其他粒子的相互作用對宇宙形貌的影響是極為深刻的，它們的微小改動，都可能導(dǎo)致宇宙中無法演化出和我們類似的生命；甚至?xí)?dǎo)致宇宙本身的不穩(wěn)定性，乃至決定宇宙最終的宿命。正因如此，Higgs 粒子是標(biāo)準(zhǔn)模型中最奇妙、最令人著迷的粒子之一，它被認(rèn)為是通向標(biāo)準(zhǔn)模型背后更深刻的物理原理的理想探針。所以，當(dāng)Higgs 粒子被發(fā)現(xiàn)后，對其性質(zhì)的精密測量立刻被提上日程。恰如美國普林斯頓高等研究院的著名理論家Nima Akani-Hamed 教授所言，“Higgs 粒子……是深刻的新原理的預(yù)兆，粒子物理學(xué)界無疑要和Higgs 粒子研究死磕到底”^[2]。

圖1 (a)標(biāo)準(zhǔn)模型基本組分粒子；(b)標(biāo)準(zhǔn)模型粒子之間的相互作用

為了探索亞原子級乃至更小的結(jié)構(gòu)，我們需要借助粒子加速器。加速器把微觀粒子加速到越來越高的能量，以此來探索越來越小的結(jié)構(gòu)。為了記錄加速器所產(chǎn)生的關(guān)鍵信息，人們通過粒子探測器來測量并記錄末態(tài)粒子的能量、動量、種類信息。有些粒子物理實驗是不需要加速器的，比如宇宙線實驗(地面、高空、太空)、部分中微子實驗等等，但所有的實驗都需要探測器。

為精確測量Higgs 粒子性質(zhì)，我們需要Higgs 粒子工廠。發(fā)現(xiàn)了Higgs 粒子的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC，圖2)本身就是強(qiáng)有力的Higgs 粒子工廠。時至今日，LHC已生產(chǎn)了數(shù)以千萬計的Higgs 粒子，而其高亮度升級計劃(HL-LHC)則將帶來數(shù)以億計的Higgs 粒子。另一方面，由于LHC的對撞粒子——質(zhì)子參與強(qiáng)相互作用，質(zhì)子—質(zhì)子的反應(yīng)截面非常大，這意味著LHC上的本底噪聲水平非常高。事實上，在100 億個質(zhì)子—質(zhì)子的對撞事例中只能產(chǎn)生一個Higgs 粒子。極高的本底水平導(dǎo)致LHC上產(chǎn)生的99%以上的Higgs 粒子事例無法被甄別記錄。同時，在標(biāo)準(zhǔn)模型看來，質(zhì)子并不是基本粒子，而是由夸克—膠子等成分組成的復(fù)雜系統(tǒng)，這意味著對撞的初態(tài)難以準(zhǔn)確確定，也意味著難以控制的理論誤差。這些不利因素，使得LHC難以進(jìn)行Higgs 粒子性質(zhì)的精確測量。模擬研究表明，在高亮度升級的情況下，LHC可將Higgs 粒子性質(zhì)測量測到5%—10%的極限相對精度。通過LHC上已經(jīng)產(chǎn)生的Higgs 粒子事例，人們初步確定Higgs 粒子的性質(zhì)基本同標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言相吻合。這也意味著，我們需要在更高的精確度下對Higgs 粒子性質(zhì)進(jìn)行測量。

圖2 大型強(qiáng)子對撞機(jī)及其上的4個大型實驗

相比于強(qiáng)子對撞機(jī)，基于正負(fù)電子對撞機(jī)的Higgs 粒子工廠具有巨大的優(yōu)勢。正負(fù)電子是標(biāo)準(zhǔn)模型下的基本粒子，這意味著正負(fù)電子對撞機(jī)的初態(tài)是精確可知且可調(diào)的。在合適的對撞能量下，每100—1000 次正負(fù)電子對撞中就會產(chǎn)生一個Higgs 粒子事例，其信噪比比強(qiáng)子對撞機(jī)提高了一億倍。在先進(jìn)的探測器系統(tǒng)的支持下，幾乎所有的正負(fù)電子Higgs 工廠上的信號事例都可以被甄別、記錄。除此之外，正負(fù)電子Higgs 工廠還可以對Higgs 粒子性質(zhì)進(jìn)行模型無關(guān)的精確測量。正負(fù)電子Higgs 工廠可將Higgs 粒子性質(zhì)測量到0.1%—1%的相對精度，超出LHC的極限精度達(dá)一個量級。

正負(fù)電子對撞機(jī)是極有吸引力的、高精度的Higgs 粒子工廠。國際高能物理學(xué)界普遍認(rèn)為，建造正負(fù)電子Higgs 工廠是未來高能物理對撞機(jī)實驗發(fā)展的必由之路，并倡議了多個正負(fù)電子Higgs 工廠技術(shù)方案。這些方案中包括了歐洲核子中心倡議的未來環(huán)形對撞機(jī)(FCC)^[3]和緊致直線對撞機(jī)(CLIC)^[4]，可能被建設(shè)于日本的國際直線對撞機(jī)(ILC)^[5]，以及由我國高能物理學(xué)界提議的環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)(CEPC)^[6—8]。這些被倡議的正負(fù)電子Higgs 工廠可以被分為兩大類：直線對撞機(jī)和環(huán)形對撞機(jī)。前者包括CLIC和ILC，后者包括FCC和CEPC(圖3)。

圖3 可能的正負(fù)電子Higgs 粒子工廠：ILC(a)，F(xiàn)CC(b)，CEPC(c)以及CLIC(d)。其中FCC和CLIC示意圖中，白色小圈代表LHC

為了理解直線對撞機(jī)和環(huán)形對撞機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，我們需簡單了解同步輻射這一物理現(xiàn)象（風(fēng)云之聲注：對同步輻射的介紹，可參見同步輻射是是什么？下雨天轉(zhuǎn)傘就知道了 | 謝治）。牛頓定律告訴我們，物體總是傾向于保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)；微觀帶電粒子運(yùn)動狀態(tài)的改變將導(dǎo)致同步輻射光子的發(fā)射。同步輻射功率同帶電粒子的能量/靜質(zhì)量之比( γ )的四次方成正比，并反比于其軌道偏轉(zhuǎn)的曲率半徑的平方。由于電子是標(biāo)準(zhǔn)模型中最輕的帶電粒子，這意味著環(huán)形軌道上的正負(fù)電子可產(chǎn)生功率巨大的同步輻射(在正負(fù)電子Higgs 工廠中的γ 因子可達(dá)近百萬)。這一方面限制了環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)的質(zhì)心能量，另一方面，也使得各種基于正負(fù)電子加速器的同步輻射光源成為可能。為了控制同步輻射功率，我們可以建造大型環(huán)形對撞機(jī)(通過巨大的曲率半徑來限制同步輻射功率)，或者可以建造軌道曲率半徑無窮大的直線對撞機(jī)，對應(yīng)著上文提到的兩大類正負(fù)電子Higgs工廠。

對撞機(jī)上物理事例的產(chǎn)率是其反應(yīng)截面和對撞機(jī)亮度的乘積。換言之，亮度體現(xiàn)了Higgs 工廠的生產(chǎn)率和總產(chǎn)量。對環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)而言，在限制了同步輻射總功率的情況下，其亮度隨質(zhì)心能量的3 次方壓低；而直線對撞機(jī)原則上不受同步輻射總功率的限制，其亮度隨質(zhì)心能量緩慢增加。因此，就亮度而言，環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)在較低的質(zhì)心能量上占優(yōu)；而直線對撞機(jī)則在高能區(qū)占優(yōu)，如圖4 所示。同時，直線對撞機(jī)上僅有一個對撞點(diǎn)，而環(huán)形對撞機(jī)上則可同時擁有多個對撞點(diǎn)，意味著環(huán)形對撞機(jī)上可同時運(yùn)行多個探測器、進(jìn)行實驗取數(shù)。由于Higgs 粒子的質(zhì)量是125 GeV，質(zhì)心能量為240—250 GeV的正負(fù)電子對撞即可有效產(chǎn)生Higgs 粒子。在這個能區(qū)，環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)相對于直線對撞機(jī)有亮度上的優(yōu)勢。

圖4 正負(fù)電子Higgs 工廠上亮度與質(zhì)心能量的關(guān)系^[9]。其中CEPC的總功耗被限制在較低水平，導(dǎo)致其亮度比FCC略低

相對于環(huán)形對撞機(jī)，直線對撞機(jī)有兩個突出的優(yōu)點(diǎn)。第一，直線對撞機(jī)的質(zhì)心能量基本同對撞機(jī)長度成正比，相對于環(huán)形對撞機(jī)，可以相對簡單地提高其質(zhì)心能量，在現(xiàn)有技術(shù)下質(zhì)心能量原則上可以比環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)提高近一個量級；第二，直線對撞機(jī)上原則上可以實現(xiàn)對撞粒子的縱向極化，這對很多物理測量是有優(yōu)勢的。在這個意義上，環(huán)形對撞機(jī)和直線對撞機(jī)擁有相當(dāng)?shù)幕パa(bǔ)性。

了解了質(zhì)子對撞機(jī)和正負(fù)電子對撞機(jī)，以及直線對撞機(jī)和環(huán)形對撞機(jī)作為Higgs 工廠的比較優(yōu)勢，下面重點(diǎn)介紹我國高能物理學(xué)界倡導(dǎo)的CEPC 項目。CEPC 的主環(huán)周長長達(dá)100 km，是LHC 的近4 倍大。其總造價約為360 億人民幣，相當(dāng)于北京5 號線地鐵造價。在240 GeV 的質(zhì)心能量下，CEPC 上預(yù)期將產(chǎn)生一百萬Higgs 粒子，其產(chǎn)額比直線對撞機(jī)的代表ILC 大近6 倍，這意味著精確度上的巨大優(yōu)勢。圖5 演示了CEPC 上一個特征的Higgs 事例。同時，在相對較低的質(zhì)心能量下，CEPC 可進(jìn)行豐富的物理測量：它可在91.2 GeV 的質(zhì)心能量附近作為Z 粒子工廠運(yùn)行，并在161 GeV附近的質(zhì)心能量下進(jìn)行W粒子閾值掃描。CEPC 上預(yù)期可以在極低的本底噪聲下產(chǎn)生上億W粒子，以及數(shù)以千億計的Z 粒子。它不僅可以對Higgs 粒子進(jìn)行精確測量，同時可以以超過現(xiàn)有水平達(dá)一個量級的精確度對電弱可觀測量進(jìn)行測量，同時，CEPC 可進(jìn)行豐富的味物理、QCD測量。一言以蔽之，CEPC 可在各個方面，對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行精確的測量/驗證，進(jìn)而進(jìn)行新物理規(guī)律的探索。同時，CEPC 項目還可以作為能量極高的同步輻射光源運(yùn)行，繼而為包括核物理、凝聚態(tài)、生物、醫(yī)藥研究在內(nèi)的其他學(xué)科發(fā)展提供技術(shù)支持。

圖5 模擬產(chǎn)生的CEPC上的Higgs 事例

環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)還可以被升級為質(zhì)子對撞機(jī)。由于質(zhì)子的靜質(zhì)量比正負(fù)電子大近2000倍，質(zhì)子對撞機(jī)質(zhì)心能量受同步輻射功率的限制要遠(yuǎn)小于正負(fù)電子對撞機(jī)，這意味著質(zhì)子對撞機(jī)的質(zhì)心能量可以遠(yuǎn)超正負(fù)電子對撞機(jī)。CEPC 可以被升級為超級質(zhì)子對撞機(jī)(SPPC)，其質(zhì)心能量將高達(dá)100 TeV，超過目前的LHC 達(dá)一個量級。除質(zhì)子對撞外，SPPC 上還可運(yùn)行重離子對撞，對宇宙極早期行為進(jìn)行探索。CEPC 項目及其后續(xù)的SPPC 項目的生命周期長達(dá)數(shù)十年，一旦建成，將不斷為粒子物理探索提供重要的前沿數(shù)據(jù)。

除了正負(fù)電子對撞機(jī)和質(zhì)子對撞機(jī)之外，粒子物理學(xué)界也在積極探索其他類型的Higgs 粒子工廠，包括光子對撞機(jī)、Muon子對撞機(jī)、等離子體加速技術(shù)等等^[10]。綜合考慮物理潛力、可行性、造價以及項目時間線，正負(fù)電子對撞機(jī)，特別是我國倡導(dǎo)的CEPC 項目，在諸多選擇中擁有巨大優(yōu)勢。這一點(diǎn)得到了國內(nèi)外高能物理學(xué)界的一致共識。2013 年的香山會議指出，“CEPC—SPPC 項目是我國高能物理發(fā)展的重要機(jī)遇”。2014 年，ICFA就CEPC項目和未來高能物理發(fā)展表態(tài)：“ICFA支持能量前沿環(huán)形對撞機(jī)研究并鼓勵全球協(xié)調(diào)”，“ICFA鼓勵國際環(huán)形對撞機(jī)研究，其最終目的是能量遠(yuǎn)超LHC 的質(zhì)子— 質(zhì)子對撞”。2016年3月的亞洲未來加速器委員會(ACFA)和亞洲高能物理委員會就ILC，CEPC與高能物理未來發(fā)展發(fā)表聲明：“過去幾年，對大型環(huán)形對撞機(jī)的興趣一直在增長。這首先是一個希格斯工廠，最終成為一臺高能質(zhì)子—質(zhì)子對撞機(jī)。我們鼓勵中國領(lǐng)導(dǎo)的這個方向，并期望盡快看到技術(shù)設(shè)計完成”^[1]。2016 年8 月，中國物理學(xué)會高能物理分會年會明確表示，“CEPC是我國未來高能加速器物理發(fā)展的首選項目”。

2012 年，國內(nèi)高能物理學(xué)界開始進(jìn)行CEPC項目的討論。2013 年9 月，CEPC 工作組正式成立(圖6)。2015 年初，CEPC 工作組發(fā)布了CEPC的《預(yù)備概念設(shè)計報告》^[6]，這一報告明確了CEPC項目的可行性。報告認(rèn)為CEPC項目不存在原理性的困難，同時，報告甄別出大量需要仔細(xì)研究的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)CEPC預(yù)備設(shè)計報告，CEPC工作組進(jìn)行了大量的科研攻關(guān)，完成了對撞機(jī)、探測器上一系列關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)研。2018 年11月，CEPC 研究工作組在北京正式發(fā)布CEPC 的兩卷《概念設(shè)計報告》(CDR)^[7，8]，這意味著CEPC 項目的初步設(shè)計藍(lán)圖完成。

圖6 2013 年CEPC—SPPC項目啟動會合影

CEPC 的概念設(shè)計報告包括《加速器卷》和《探測器和物理卷》兩部分。《概念設(shè)計報告》給出了對撞機(jī)和探測器的基線設(shè)計( 圖7，8)，意味著我們得到了“在紙面上可以運(yùn)行的對撞機(jī)— 探測器設(shè)計”。其中《加速器卷》介紹了加速器整體設(shè)計， 包括直線加速器、阻尼環(huán)、增強(qiáng)器和對撞機(jī)。另外，還介紹了低溫系統(tǒng)、土木工程、輻射防護(hù)等一系列重要支撐設(shè)施，并討論了CEPC升級的可能選項。《探測器和物理卷》展示了CEPC 的物理潛力，介紹了探測器的設(shè)計概念及其關(guān)鍵技術(shù)選項，重點(diǎn)對CEPC 的探測器和物理研究做了深入評估，并討論了未來探測器研發(fā)和物理研究的初步計劃。根據(jù)該設(shè)計報告，CEPC的主環(huán)周長長達(dá)100 km，是目前世界上最大的高能物理對撞機(jī)——LHC主環(huán)周長的4 倍。CEPC上將至少會有兩臺探測器同時進(jìn)行科學(xué)實驗。

圖7 CEPC對撞機(jī)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)^[7]

圖8 CEPC上的基線探測器剖面圖^[8]

CEPC 項目擁有巨大的物理潛力和比較優(yōu)勢，不僅獲得了國內(nèi)物理學(xué)界的全力支持，也得到了國際高能物理學(xué)界的積極參與。來自近140個國際研究機(jī)構(gòu)的近300 名外國物理學(xué)家積極參加了CEPC《概念設(shè)計報告》的研究。

CEPC《概念設(shè)計報告》的完成受到了廣泛的贊譽(yù)和支持。國際未來加速器委員會和亞洲未來加速器委員會主席、墨爾本大學(xué)教授Geoffery Taylor評價：“這是CEPC這樣一個用于基礎(chǔ)研究的大型科學(xué)裝置的重要發(fā)展里程碑”，“毫無疑問，國際高能物理界非常希望參加CEPC的研發(fā)和將來的科學(xué)實驗，這將會大大促進(jìn)對物質(zhì)最基本組成單元的進(jìn)一步理解?！?017 年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、加州理工大學(xué)教授Barry Barish(領(lǐng)導(dǎo)LIGO實驗發(fā)現(xiàn)引力波)祝賀說：“加速器的發(fā)展歷史是實現(xiàn)越來越高的能量，并在過去幾十年中一直都是眾多粒子物理重大發(fā)現(xiàn)所依賴的核心工具。而CEPC 將延續(xù)這一偉大傳統(tǒng)！我衷心祝賀CEPC《概念設(shè)計報告》團(tuán)隊做了如此出色的工作?！?/p>

CEPC 項目團(tuán)隊計劃以《概念設(shè)計報告》為基礎(chǔ)完成關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研，計劃于2018 年至2022年間建成一系列關(guān)鍵部件原型機(jī)，驗證技術(shù)和大規(guī)模工業(yè)加工的可行性。按照目前的進(jìn)度安排，CEPC 將在5 年左右的時間內(nèi)完成《技術(shù)設(shè)計報告》，這將是CEPC 項目的最終藍(lán)圖，《技術(shù)設(shè)計報告》的完成意味著CEPC 項目的建設(shè)即可啟動。一旦獲批，項目的建設(shè)需要7—10 年左右的時間，因此，在樂觀的情況下，我們將在2030 年左右獲得來自CEPC的第一批實驗數(shù)據(jù)^[11]。

在人類目前已經(jīng)建立的正負(fù)電子對撞機(jī)中，大型正負(fù)電子對撞機(jī)(LEP)是在質(zhì)心能量和對撞機(jī)尺度上最接近CEPC 的。LEP 是LHC 的前身，它于1989 年至2000 年運(yùn)行在位于日內(nèi)瓦的歐洲核子中心。LEP 上產(chǎn)生了數(shù)以千萬計的Z 粒子和大量W粒子，對標(biāo)準(zhǔn)模型中的電弱可觀測量進(jìn)行了非常精確的測量。2001 年，LEP 開始進(jìn)行到LHC 的升級， 后者于2009 年開始對撞， 并在2012年宣布了Higgs 粒子的發(fā)現(xiàn)。

CEPC的主環(huán)周長比LEP提高了近4 倍。運(yùn)行于Higgs 工廠時，CEPC的質(zhì)心能量比LEP最高質(zhì)心能量提高了15%，而其亮度則比LEP 提高了近3 個數(shù)量級。運(yùn)行于Z工廠模式下時，CEPC的亮度則比LEP 提高了4 個量級以上。更高的亮度意味著更大的物理事例產(chǎn)額，意味著需要對撞機(jī)技術(shù)上的重大突破；同時，更高的亮度也意味著CEPC 需要更加精良的探測器系統(tǒng)，意味著需要探測器設(shè)計、制造上的重大突破。

大型對撞機(jī)和探測器是需多種尖端技術(shù)支持的綜合系統(tǒng)，是工業(yè)皇后皇冠上的明珠。CEPC的加速器系統(tǒng)包括有電子/正電子源、直線加速器、超導(dǎo)高頻、高效率速調(diào)管、大功率電源、磁鐵、低溫、冷卻、真空、準(zhǔn)直、束流測量、輻射防護(hù)、控制、機(jī)械、對撞區(qū)等數(shù)十個核心子系統(tǒng)。而CEPC 的探測器則由高精度頂點(diǎn)—徑跡系統(tǒng)、量能器、磁鐵—軛鐵子系統(tǒng)組成，同時包括有配套的機(jī)械、準(zhǔn)直、冷卻、電子學(xué)、數(shù)據(jù)存儲和處理系統(tǒng)。同時，CEPC 工作組對對撞機(jī)和探測器的設(shè)計、優(yōu)化、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、物理及工程樣機(jī)的制備均進(jìn)行了大量的工作，在子系統(tǒng)研究方面取得了大量進(jìn)展。

舉例而言，高頻系統(tǒng)是對撞機(jī)的核心組件，其作用是為粒子提供加速電場，加速到所需的能量。對于高頻系統(tǒng)，CEPC 預(yù)期將采用世界上先進(jìn)的低溫超導(dǎo)加速器技術(shù)。CEPC 主環(huán)和增強(qiáng)器將分別采用650 MHz和1.3 GHz 的超導(dǎo)腔實現(xiàn)(圖9)。超導(dǎo)腔除了選用傳統(tǒng)超導(dǎo)高頻技術(shù)中所用的高純鈮外，還將使用目前世界上前沿的摻氮技術(shù)，進(jìn)一步減小超導(dǎo)腔本身的能量損耗。此外，還將完善一些列的超導(dǎo)腔處理工藝和設(shè)施，如超導(dǎo)腔電拋光裝置，使我國的超導(dǎo)高頻技術(shù)步入世界領(lǐng)先水平。為了維持超導(dǎo)狀態(tài)，高頻腔被安裝在工作溫度為4 K、長度為11 m的低溫單元中，CEPC的主環(huán)上將安裝40個低溫單元，如圖9，10所示。

圖9 CEPC 主環(huán)上的、650 MHz超導(dǎo)高頻腔樣機(jī)及其垂直測試^[12]

圖10 CEPC主環(huán)上的低溫單元設(shè)計圖。整個系統(tǒng)利用液氦冷卻穩(wěn)定在2 K的低溫，以保持650 MHz超導(dǎo)高頻腔正常工作^[7]

高效速調(diào)管是CEPC 所需的另一個關(guān)鍵技術(shù)。速調(diào)管產(chǎn)生大功率微波，并以其在高頻系統(tǒng)中建立起強(qiáng)電場，以加速粒子束團(tuán)。目前，百千瓦量級的連續(xù)波速調(diào)管功率僅在60%，也就是說有近一半的能量將在速調(diào)管部分損失。因此，CEPC 項目開展了高效速調(diào)管的研究，可使速調(diào)管的輸出功率和工作效率提高到800 kW及80%以上。為達(dá)到這一目標(biāo)，研制中，不僅在關(guān)鍵技術(shù)上有著新的突破，還將提出新的理論和方法。速調(diào)管作為最重要的微波電真空器件之一，不僅用于加速器領(lǐng)域的大科學(xué)工程，在國防科技和工業(yè)領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用，如雷達(dá)、通訊廣播等。

磁鐵對CEPC 對撞機(jī)和探測器都極端重要。在對撞機(jī)上，磁鐵系統(tǒng)負(fù)責(zé)將束流粒子約束在預(yù)期軌道內(nèi)，調(diào)控束流束團(tuán)的幾何，并最終實現(xiàn)高亮度的對撞。在探測器上，磁鐵系統(tǒng)包括有大體積的螺線管磁鐵和前端安裝的反螺線管系統(tǒng)。前者保證了物理事例中徑跡動量的準(zhǔn)確測量，而后者則保證了對撞機(jī)的高亮度運(yùn)行。CEPC 項目研究涉及多種磁鐵系統(tǒng)，其技術(shù)要求和技術(shù)難點(diǎn)各不相同，其中包括增強(qiáng)器磁鐵、主環(huán)磁鐵、對撞區(qū)磁鐵，以及質(zhì)子對撞機(jī)高場磁鐵等等。圖11 顯示了目前CEPC 主環(huán)上的幾種主要磁鐵的設(shè)計截面圖。目前，增強(qiáng)器磁鐵重點(diǎn)開展了最低工作磁場為30 G的高精度低場二極磁鐵的研制。這一工作在國內(nèi)外均屬于首次，研制過程中一些全新方案、工藝、乃至磁場測量將被采用，這將為同類磁鐵的研制奠定基礎(chǔ)。主環(huán)磁鐵研制的一個重要方向為高精度永磁二極鐵的研制。目前，世界上大型加速器工程所采用的均為電磁鐵，其優(yōu)點(diǎn)在于控制的便捷，然而從另一方面，則需要電源及電功率為其配套。因此，永磁鐵研究的開展不僅可以降低磁鐵系統(tǒng)的造價，也將大幅節(jié)省對撞機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用。本課題的開展中將需要對一系列難點(diǎn)攻關(guān)，如對永磁材料抗輻射性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)在較大范圍內(nèi)對永磁磁鐵場強(qiáng)的調(diào)節(jié)，對永磁材料的溫度系數(shù)進(jìn)行精細(xì)的補(bǔ)償?shù)?。此外，該磁鐵的研究將以雙孔徑磁鐵為基準(zhǔn)開展，即一塊磁鐵可以同時滿足兩個束線的使用，其孔徑間距僅為幾十厘米，這不僅降低了磁鐵的造價，也將使對撞機(jī)本身的結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而降低隧道的尺度。高場磁鐵是高能質(zhì)子對撞機(jī)的核心組件，其磁場強(qiáng)度直接決定了質(zhì)心能量。

圖11 CEPC主環(huán)上的二級、四級及六級鐵的設(shè)計圖截面^[7]

高場高溫超導(dǎo)磁體在能源、運(yùn)輸、軍事等方面均具有不可估量的作用。通過高溫超導(dǎo)磁體的研究，人們希望能夠?qū)⑵湫阅芴嵘?0 倍、造價壓縮10 倍，達(dá)到大規(guī)模量產(chǎn)和應(yīng)用的程度。CEPC—SPPC 加速器周長100 km，其建設(shè)需要成千上萬個超導(dǎo)磁體，因此未來高能量粒子加速器的建設(shè)，對超導(dǎo)材料的性能及造價都提出了挑戰(zhàn)。

為了這個目標(biāo)，2016 年CEPC 工作組聯(lián)合國內(nèi)的18 家單位，包括科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)，成立了實用化高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)學(xué)研合作組。經(jīng)討論論證，認(rèn)為鐵基超導(dǎo)材料的高場性能和規(guī)?；€材制作成本等方面具有顯著優(yōu)勢，合作組明確了基于鐵基超導(dǎo)體的基本技術(shù)方案。在各成員單位的高效協(xié)作下，該合作組若干研究工作已經(jīng)取得了若干突破性進(jìn)展：

(1)鐵基超導(dǎo)材料的短樣電流密度已經(jīng)突破了1450 A/mm²，處于國際領(lǐng)先水平；

(2)研制的國內(nèi)第一個高場超導(dǎo)二極磁體，在4.2 K、兩個孔徑內(nèi)最高磁場達(dá)到了10.2 T(圖12)；

(3)國際上首次完成了鐵基超導(dǎo)線圈高場性能測試，實驗驗證了鐵基超導(dǎo)高場應(yīng)用的可行性。

圖12 高場超導(dǎo)二極磁體樣機(jī)及其性能測試結(jié)果^[12]

這些研究確立了我國在高場加速器磁體技術(shù)領(lǐng)域的國際先進(jìn)地位^[13，14]。

CEPC 探測器設(shè)計中將使用先進(jìn)的半導(dǎo)體探測器技術(shù)以及讀出電子學(xué)技術(shù)。在過去的幾十年中，得益于LHC等實驗應(yīng)用需求以及半導(dǎo)體工藝的快速發(fā)展，半導(dǎo)體探測器和電子學(xué)的性能得到不斷提升。性能的提升也進(jìn)一步拓展其在其他輻射探測和輻射成像領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。研發(fā)中所積累的器件抗輻照設(shè)計、輻照加固等技術(shù)也能夠為其他領(lǐng)域的應(yīng)用、設(shè)計提供直接或間接的參考。針對未來高能物理及其他相關(guān)領(lǐng)域若干重要應(yīng)用，硅徑跡探測器技術(shù)發(fā)展將主要體現(xiàn)在傳感器工藝和設(shè)計、前端電子學(xué)工藝及設(shè)計、集成硅探測器、先進(jìn)連接技術(shù)等重要方面，持續(xù)提升硅徑跡探測器性能。

國際上硅徑跡探測器技術(shù)快速發(fā)展，而國內(nèi)由于起步較晚且由于存在抗輻照工藝禁運(yùn)等問題，在技術(shù)水平方面與國外前沿存在明顯差距。以筆者所在的中國科學(xué)院高能物理研究所為例，近年來針對先進(jìn)光源同步輻射探測、成像的需求，利用國內(nèi)廠商提供的CMOS工藝，成功研制前端讀出電子學(xué)ASIC 芯片，主要性能已接近國外同類產(chǎn)品。與國內(nèi)研究所設(shè)計、制作的硅像素傳感器集成，逐漸開發(fā)出符合設(shè)計指標(biāo)的整機(jī)系統(tǒng)。此外，還積極參與LHC實驗探測器升級，通過國際合作的方式，努力打破技術(shù)禁運(yùn)的同時通過參與實際研發(fā)項目提高硅徑跡探測器設(shè)計水平。所參加的ATLAS實驗硅微條徑跡探測器升級課題所需經(jīng)費(fèi)部分已經(jīng)得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃支持。與此同時，基于已有設(shè)計經(jīng)驗，我們也在自主研制高性能的集成式硅探測器，滿足未來對撞機(jī)實驗的需求，并積極拓展應(yīng)用范圍。伴隨著國家對于半導(dǎo)體工藝的持續(xù)投入，將有機(jī)會更多嘗試國內(nèi)工藝廠商提供的工藝，研制高性能的硅徑跡探測器，走向國際前沿。

除上述硬件研究外，CEPC 上的數(shù)據(jù)處理也將涉及大量的算法、軟件、計算方面的先進(jìn)技術(shù)。以目前CEPC項目的基線重建算法——Arbor粒子流算法為例，該算法能夠準(zhǔn)確重建CEPC 上Higgs 粒子事例中產(chǎn)生的所有關(guān)鍵物理標(biāo)的物，進(jìn)而對探測器信號進(jìn)行全面準(zhǔn)確的物理詮釋，見圖13。為充分發(fā)掘CEPC 的物理潛力， 追求CEPC 上物理可觀測量的極限測量精度提供了工具和保障。與此同時，CEPC 工作組也在積極進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)、并行計算等技術(shù)的測試和研究。為高效處理海量的物理事例進(jìn)行前期準(zhǔn)備。

圖13 Arbor 算法重建出的τ輕子信號(a)，及其重建出的、強(qiáng)子末態(tài)下的W、Z和Higgs粒子信號(b)。圖中可見，目前CEPC 的基線探測器—重建算法可有效區(qū)分W、Z 以及Higgs 粒子，這對CEPC的物理潛力至關(guān)重要

CEPC 的對撞機(jī)和探測器系統(tǒng)均為涉及多種高精技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)。CEPC 項目研究的核心之一就是多種關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)、驗證、以及大規(guī)模工業(yè)量產(chǎn)。為了推動上述研究和工業(yè)化，在2017年11 月，CEPC 產(chǎn)業(yè)促進(jìn)會(CIPC)于北京成立，目前已吸引了50 多家在業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的工業(yè)企業(yè)參加，其技術(shù)范圍包括超導(dǎo)、微波、低溫、精密儀器、控制、電子、芯片、真空、計算、土建等方面。CIPC 為CEPC的技術(shù)預(yù)研、關(guān)鍵部件和裝備制造、產(chǎn)業(yè)化、建設(shè)以及推廣應(yīng)用提供了重要的支撐平臺^[15]。同時，隨著CEPC 項目研究的進(jìn)一步深入，各子系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的進(jìn)一步深化細(xì)化，CEPC 產(chǎn)業(yè)促進(jìn)會的規(guī)模和影響力還將進(jìn)一步提升。

CEPC 的建造也將對我國經(jīng)濟(jì)、社會、文化、教育乃至外交等方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在此不再詳述。

經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，人類對粒子物理世界的認(rèn)識被總結(jié)為粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。作為最后一個被發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子，Higgs 粒子為粒子物理的進(jìn)一步探索，為尋找標(biāo)準(zhǔn)模型背后的、更為基礎(chǔ)的物理規(guī)律，提供了極佳的探針。

由我國高能物理學(xué)界倡導(dǎo)的CEPC 項目擁有巨大的物理潛力。它是高精度的Higgs 粒子工廠，其預(yù)期精度超過高亮度LHC 的極限精度達(dá)一個量級；在電弱精密測量方面，CEPC 的預(yù)期精度將超過現(xiàn)有水平一個量級以上。同時，CEPC 可通過味物理和QCD 精確測量對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行全面、細(xì)致的驗證。CEPC 的后續(xù)升級——超級質(zhì)子對撞機(jī)，可以在比LHC高一個量級的質(zhì)心能量下，對超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象進(jìn)行直接探索。因其在科學(xué)上的巨大意義，CEPC 項目得到了國內(nèi)外高能物理學(xué)家的高度贊賞、積極參與和大力支持。

針對CEPC 項目的物理潛力及其所需的各項關(guān)鍵技術(shù)，CEPC 工作組進(jìn)行了積極的預(yù)備研究，并于2018 年11 月份發(fā)布了《概念設(shè)計報告》。該設(shè)計報告是CEPC 項目的初步設(shè)計藍(lán)圖，它不僅全面驗證了CEPC 項目的可行性，同時明晰了未來重點(diǎn)研究的方向。CEPC 工作組將繼續(xù)深入進(jìn)行相關(guān)預(yù)備研究，預(yù)期將在5 年內(nèi)完成《技術(shù)設(shè)計報告》，一經(jīng)完成，CEPC 項目即可進(jìn)行建設(shè)。在最樂觀的情況下，CEPC 將于2030 年左右建設(shè)完畢，并開始取數(shù)。

CEPC 需要高精尖的工業(yè)技術(shù)支持。針對CEPC 項目所需的各項關(guān)鍵技術(shù)，在2017 年11月，CEPC 產(chǎn)業(yè)促進(jìn)會(CIPC)于北京成立，目前已吸引了50 多家在業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的工業(yè)企業(yè)參加，其業(yè)務(wù)范圍涵蓋了CEPC 所需的多種先進(jìn)技術(shù)。相輔相成，CEPC 的建設(shè)也將帶動一大批高新技術(shù)的成熟成長，將在我國技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)積累和產(chǎn)業(yè)升級方面發(fā)揮龍頭作用。事實上，粒子物理實驗一直在挑戰(zhàn)現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)的極限，也一直是新技術(shù)的源頭。

知識和技術(shù)是互為表里的，每次認(rèn)知的巨大進(jìn)步，都蘊(yùn)含當(dāng)時無法想象的技術(shù)突破；對自然真理海洋的不斷探索，總是給人類帶來巨大的驚喜和力量。我們期待著對CEPC 的探索將帶給我們?nèi)碌闹R，也期待著這些知識背后蘊(yùn)藏的無限可能。