2019环形正负电子对撞机国际研究斟酌会在高能物理研商所实行

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,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,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,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,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,1 粒子物理和标准模型,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

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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

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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。

作者:靳松 娄辛丑 阮曼奇 徐庆金 朱宏博

环形正负电子对撞机概念图

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。

中国科学院高能物理研究所)

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。

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。

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。

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”。

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。

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

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。

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1 粒子物理和标准模型

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。”

会议现场

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。

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。”

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。

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。”

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。

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。

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。

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]。

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。

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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。

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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