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    本世紀高能物理領域的重大里程碑--下一代直線對撞機技術方案之爭塵埃落定

    2018/9/6 10:11:57

    粒子物理的標準模型對構成微觀世界的夸克和輕子及其相互作用給出了精確的定量描敘。它的預言為數以百計的實驗所證實。然而,標準模型不能正確的解釋在加速器上進行的一些實驗和對宇宙進行的若干觀測結果。暗物質、暗能量和中微子質量都要求超越現有認識的新物理。粒子物理學正處在重大發現的門檻,21世紀粒子物理學的任務就是探索這些問題的答案。歐洲核子研究中心(CERN)正在建造的大型強子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱LHC)就是從事上述前沿研究的關鍵設備。但由于環形電子對撞機向更高能區發展時遇到同步輻射能量損失隨束流能量的四次方增長的困難,因此,國際高能物理界達成共識:在LHC之后,采用大型直線對撞機(Linear Collider,簡稱LC)作為新一代的高能物理對撞機。

    大型加速器的建設從關鍵技術的研究,到方案的設計和建設調試,周期往往長達三十年以上,所以十多年前國際高能物理界就開始研究下一代的高能加速器-大型正負電子直線對撞機的關鍵技術,其核心就是加速技術。

    擬議的直線對撞機是一臺超高能量的正負電子對撞機,它由兩臺大型超導直線加速器組成,分別將正負電子加速到2500億電子伏特的能量,質心系能量達到5000億電子伏特,以后還可以提高到10000億電子伏特。它將建造在總長約40公里的地下隧道里,預計最快也要等到2016年前后才能建成,造價高達數十億美元。正因為直線對撞機造價高昂,全世界只可能建造一臺。國際高能物理界對此早已達成了共識。

    國際上從事LC關鍵技術研制有四個研究所:德國DESY的Tesla TTF、美國SLAC的NLC以及日本KEK的GLC,CERN的CILC。他們采用了各自不同的技術(常溫或超導)、不同的加速結構。基本成熟的技術方案可歸為兩種:德國DESY 的L波段超導加速結構(2K),稱為"冷"技術(cool);美國SLAC和日本高能物理研究機構(KEK)聯合研制的X波段常溫加速結構,稱為"暖"技術(warm)。十多年來,這三個實驗室都分別投入了數以千萬美元的研究經費,建立了大型的試驗裝置。"暖"X-波段技術和"冷"超導技術,兩種方案各有所長,并且都匯集了科學家和工程師們多年的研發努力,具有廣泛的應用價值。但同時研發兩種技術方案的代價昂貴而且費時,大家逐漸認識到只有國際合作才是建造LC的唯一途徑,有關各國必須就關鍵技術方案達成一致,其預研、設計、建設、運行和科學研究必然廣泛采取大規模國際合作的方式。

    TESLA-qiang.jpg (228899 字節)TESLA-jiasuqi.jpg (168915 字節)

    左上圖為DESY-TESLA 示意圖,中圖為超導高頻腔,右上圖為其試驗裝置(TTF

    左上圖為SLAC-NLC的示意圖,中圖為其試驗裝,右上圖為加速裝置示意圖。

    左上圖為KEK-GLC,右上圖為試驗裝置(ATF

    上圖為CERN-CLIC

    1976年,國際純粹和應用物理協會建立了國際未來加速器委員會(International Committee for Future Accelerators,簡稱ICFA)。在2001年前,關于LC的討論一直由ICFA主導。其作用和目的是推動國際上高能加速器的建造和運行,組織定期會議和各類研討會,交流各區域設施的發展計劃,研討相關技術的發展。1995年以來,ICFA在推動直線對撞機研制方面做了突出的工作。

    被稱為“富國俱樂部”的經濟合作與發展組織(Organisation for Economic Co-operation and Development,簡稱OECD)下屬的專門討論大科學裝置的全球科學論壇(Global Science Forum,簡稱GSF)從2000年起也開始討論LC。當時擔任ICFA主席的日本曾反對GSF的介入,但后來,ICFA感到OECD/GSF由各國科技部長參加的討論有利于在各國進行政府層面的協調,兩者在LC的問題上慢慢接近,并決定定期召開聯合會議。中國于2002年正式成為OECD/GSF 的觀察員。

         

    ICFA于2002年成立了國際直線對撞機指導委員會(International Linear Collider Steering Group,簡稱ILCSC),下設國際加速器技術評審委員會(International Technology Recommendation Panel,簡稱ITRP),也就是所謂的“聰明人委員會”,分歐洲、北美、亞洲三個區域,每個區域推薦4人。日本和韓國瓜分了亞洲的4個人選。主席由研究引力波的Barry C. Barish教授(右圖)擔任,左圖為計劃中今后數年內主導直線對撞機的組織構架。 2003年,國際未來加速器委員會委托ITRP對直線對撞機的兩種技術方案進行評估。有關各方均表示,不論ITRP選定何種技術方案,都將無條件接受。

        

    wpe4.jpg (45499 字節)2004年初,ITRP成員分別訪問了DESY、SLAC、KEK,原計劃在2004年底向ILCSC推薦直線對撞機采用的技術方案。實際的進度超過了計劃,2004年8月11-13日,ITRP在韓國浦項召開會議(左圖),對兩種技術方案進行了評估并做出了重要的決定。會上還決定成立全球設計組織(Global Design Organization,簡稱GDO),GDO將在2005年討論經費的分擔等問題。計劃直線對撞機于2005年建立設計隊伍進行概念設計,2007年開始技術設計。如果一切進展順利,2008年選定建造地,2009年正式破土動工。

    8月19日,ITRP在北京召開的特別會議上向國際未來加速器委員會作了推薦:將DESY的低溫超導技術作為下一代大型直線對撞機的技術方案,獲得了ICFA的批準。[Final International Technology Recommendation Panel Report(pdf)]

         

    8月20日,在北京召開的第32屆國際高能物理大會上,國際未來加速器委員會主席、美國斯坦福直線加速器中心(SLAC)所長多爾芬(Jonathan Dorfan)教授(右圖)正式宣布了國際未來加速器委員會19日特別會議上的決定:下一代大型直線對撞機的技術方案已經確定為低溫超導,即采用工作在絕對溫度2K(攝氏溫度零下271度)下的超導加速結構,而不是工作在常溫下X波段加速結構。CERN的CLIC技術雖然預期性價比較高,前景誘人,但技術它復雜,對束流的品質要求高,目前最樂觀的估計也要到2009年才能完成技術研究。可以列為更遠期的發展方向。在隨后舉行的中外記者招待會(下圖)上向媒體發布了此條新聞。這一重大決定為國際高能物理界聯合進行下一代大型直線對撞機的設計和R&D、確定造價,進而選擇建造地(host country)奠定了基礎。

        

    決定宣布之后,有關各方遵守諾言,平靜地接受了這個結果,畢竟下一代直線對撞機確定了發展方向,有關的研究所也看到了未來發展的希望,這是國際高能物理界的共同利益之所在。有關各國都將據此調整戰略,其中SLAC和KEK受到很大的沖擊,這意味著它們十多年來的心血、每年數以千萬美元的投入、已經建成的大規模的實驗裝置都將放棄。兩位所領導將要面對困難的思想工作,均感到了巨大的壓力。

    這項決定對中國高能物理研究未來的發展也同樣具有十分的重要影響。LC是二十一世紀國際高能物理在LHC后高能量前沿研究的最關鍵設備。中國高能物理界必須積極參加LC及其探測器的設計、建設、運行和物理研究的國際合作。同時引進LC所采用的一些先進技術,對中國先進加速器的發展具有重大的意義。中國必須以適當的方式參與它的國際合作并在其中占有自己的位置。由于LC的發展高潮正好在完成北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCII)后北京譜儀(BESIII)取數的后期(約2012年左右),時機對我們十分有利。屆時,國內對大科學的國際合作會日漸重視,投入可望有較大增加。目前,我們應將此作為中國發展高能物理的新機遇,在中長期發展規劃中對LC的國際合作做出相應安排,制定參加LC國際合作的策略和計劃,認真部署,積極建立合作渠道,選擇重點,發展有自己特色的技術。有了扎實的基礎,有了實力,才能在國際合作中有發言權,才能談與誰合作、如何合作等問題,才能在LC的國際合作中占有一席之地。同時,硬X射線自由電子激光的加速器部分的關鍵技術都來自大型直線對撞機的研究,參加大型直線對撞機的國際合作也將為中國未來發展硬X射線自由電子激光裝置奠定基礎。

    高能所科研處制作 資料來自IHEP、ICHEP04、DESY、SLAC、KEK等網站


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