[科普中国]-国际直线对撞机

简介

ILC的威力将远远超过以往任何一台正负电子对撞机，让物理学家有能力深入研究LHC的任何一项新发现。LHC 是为研究质子对撞而设计的。质子实际上由夸克和胶子组成。夸克是目前已知的、组成物质的最小微粒。

来自全世界300多个实验室和大学的1600多名科学家和工程师，正致力于ILC的设计及探测器的研发，这些探测器将用来分析ILC中正负电子对撞的产物。

2007年2月，设计小组公布了ILC的估计造价，约合67亿美元(不包含探测器的成本)。已经比较了在三处不同地点建造ILC的造价，这些候选地点分别是：瑞士日内瓦附近的欧洲原子能研究中心(CERN)、美国的费米国家加速器实验室和日本某山区。

国际直线对撞机的构想2005年8月，来自世界各地的600多名物理学家，齐聚美国科罗拉多州的斯诺马斯，讨论ILC的研发计划。不过这一计划的真正起点， 可以追溯到1989年， 当时CERN的大型正负电子对撞机(Large Electron-Positron COllider，缩写为LEP)刚刚开始试运行。LEP在一个周长27千米的贮存环(storage ring)中加速正负电子，再让它们对撞，对撞能量可达180 GeV。不过很显然，LEP是同类加速器中规模最大的一个，今后也不会再建造更大的环形正负电子对撞机。原因很简单，要把正负电子加速到万亿电子伏特，达到所谓的万亿能标，需要建造一个周长几百千米的圆环，它的造价是任何机构都不可能承担得起的。1

环型电子对撞机向更高能区发展遇到了同步辐射能量损失随束流能量的四次方增长的困难，为了向更高的能量和更深的层次进军，直线对撞机作为未来的高能对撞机而得到世界各国的重视。世界上第一台直线对撞机是美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）的SLC，它利用SLAC的50GeV的直线加速器。在SLC中，正负电子束流分别经过两个弧形传输线进入对撞区，实现了的对撞，验证了直线对撞的原理。在这以后，世界上提出了多个直线对撞机的设计方案，形成了低温超导和常温常规两种加速结构之争。

环形加速器的主要障碍是同步辐射(synchrotron radlatiOn)：正负电子之类的较轻粒子在环中加速时，总是会遇到许多二极磁铁(dipoe magnet)迫使它们转弯，每次转弯都会产生这种辐射，使粒子丢失一部分能量。因此，加速正负电子就会变得越来越困难，此类对撞机的造价将与对撞能量的平方成正比。也就是说，一台对撞能量比LEP大一倍的机器，造价会是LEP的4倍。(如果加速质子之类的较重粒子，能量丢失就不会那么严重； 因此LEP的圆状隧道成了现在LHC的栖身之所。) 直线对撞机则是一个比较省钱的方案，它能避免环形加速器的那种同步辐射。在ILC的设计方案中，两个11．3千米长的直线加速器(linac)分别加速正负电子，让它们互相瞄准，在中间发生对撞。

直线对撞机的缺点在于，正负电子从静止状态加速到对撞能量必须一次成功，不能像环形加速器那样一圈一圈逐渐累加。要达到更高的对撞能量，就要建造更长的直线加速器。直线对撞机的造价与对撞能量成正比，因此让它达到万亿能标所需的费用比环形对撞机便宜得多，这一优势是显而易见的。

国际直线对撞机的实施在欧洲建造LEP的同时，美国能源部也在斯坦福直线加速器中心(SLAC)建造了一台与它竞争的对撞机，第一次把直线对撞机从概念变成了现实。这台机器用一个3千米长的直线加速器交替加速正负电子束团，使它们的能量达到大约50 GeV，再用磁铁使沿不同方向注入贮存环，加速对撞。这台对撞机从1989年一直运行到1998年，虽然只用了一个直线加速器，算不上是真正的直线对撞机，但它铺平了通向ILC的道路。

确切地说，万亿能标直线对撞机的设计规划工作，开始于20世纪80年代末到90年代初，当时物理学家提出了几个相互竞争的加速技术。随后10年里，科学家在不断完善该技术的同时，也将关注点集中在如何控制造价方面。2004年8月，由12名独立专家组成的小组对所有的技术进行了评估，最终决定采纳TESLA组提出的技术方案。TESLA组由德国汉堡电子同步加速器研究中心(DESY)领导，成员来自40多所大学和研究所。根据这套方案，正负电子将穿过一长串真空腔(cavity)。真空腔由金属铌(nioblum)制造，冷却到极低温度时会产生超导现象，可以毫无阻碍地传导电流。超导现象能在真空腔内高效产生射频振荡强电场，振荡频率达到每秒十亿次。正负电子就在这种不断振荡的电场中加速冲向对撞点。

这种设计方案被称为超导射频(SCRF)。它的基本构造是一节节一米长的铌腔，由9个能够冷却到2K的腔室构成。8—9个铌腔首尾相连成一条直线，再浸入装满超冷液氦的冷却罐之中。ILC有两个直线加速器，每个需要大约900个冷却模块，一共就要用到大约16000个真空腔。DESY的研究人员已经建造了10个冷却模块，其中5今目前被安装在DESY的自由电子激光装置FLASH上，这种装置利用高能电子辐射激光。DESY即：将造的欧洲X射线自由电子激光器(European X-RavFree-Electron Laser，缩写为XFEL)也将采用超导射频技术，共需101个冷却模块，它们构成的超导直线加速器可以将子能量加速到17．5GeV．

如果每节真空腔能够产生更强的电场，ILC的直线加速器就可以造得更短，造价也将更加便宜设计组制定了一个富有挑战性的目标：改进超导射频系统，让粒子每前进一米就获得35 MeV(百万电子伏特)的能量。已经有几个原型试验腔达到甚至超过了这一目标，但是这种设备的大规模生产仍有困难。实现这一目标的关键在于，确保真空腔内一尘不染、完美无瑕。制作真空腔并安装到冷却模块的整个过程，都必须在洁净环境中完成。

国际直线对撞机的未来拟议中的国际直线对撞机（ILC）将建立在大型强子对撞机（LHC）的发现之上，以更高的精度仔细考察这一新领域，揭示其丰富的内涵和新的精细层次。国际直线对撞机可以使我们一睹仅在宇宙诞生百亿亿分之一秒时才能见到的高能量下的景象。大型强子对撞机和国际直线对撞机将共同带给人们许多预料之中和意想不到的发现。国际直线对撞机为世界范围内的科技合作指明了发展方向，其深远的影响必将惠及其他领域。它将引领国际科技合作迈向一个新的高度，成为新世纪里人类方兴未艾的科学工程的典范。

μ-μ对撞机可以是e-e对撞机的竞争对手，更可能是它以后的高能加速器，两者具有互补性。

ILC上的每个子系统都将挑战技术极限，面临重重工程难题。这台对撞机的阻尼环产生的束流品质，必须比现有电子贮存环高出好几倍。在整个压缩、加速和聚焦的过程中，束流的品质必须不受影响。这台对撞机必须采用精良的诊断系统、先进的调束工序和极为精确的准直技术。如何建造正电子产生系统，如何让纳米级束流瞄准对撞点，这些难题的攻克都需要科学家付出艰辛的努力。

建造一个能够分析ILC对撞结果的探测器也是一项挑战。举例来说，要想测量希格斯玻色子和其他粒子的相互作用强度，探测器就必须测量带电粒子的动量和它们的起始点，而且测量精度必须比以往的探测器高出一个量级。科学家正在研制新型径迹系统和量能器，以便在ILC上取得丰硕的物理学成果。

虽然ILC小组已经选定了对撞机的设计方案，但是还有更多的计划有待落实。今后几年内，LHC将采集和分析海量的质子对撞数据，我们也将努力优化ILC的设计方案，确保在合理的成本控制下，让这台正负电子对撞机获得最好的性能。目前，我们还不知道ILC将在哪里建造，地点的选择主要取决于哪个国家更愿意为此计划慷慨解囊。在最终选定之前，我们将继续对欧洲、美国和日本的候选地点进行综合分析。候选地点的地质结构、地形地貌和当地的法律法规，都会对建造方案的规划和造价评估产生影响。最终，ILC的许多设计细节都取决于对撞机的确切建造地点。无论如何，只要科学家在LHC中发现了值得进一步探索的最佳研究目标，现有计划都可以让ILC全力以赴接手后续研究工作。在从事技术设计开发的同时，我们还将创建ILC的管理模式，让参与项目的物理学家人人都有发言权。这个雄心勃勃的承诺，已经在ILC的概念提出和设计研发阶段的全球合作中实现，我们希望在对撞机未来的建造和运行过程中也能如此。2

研究正未有穷期。路漫漫其修远兮，科学家将上下而求索。

中国的合作机会我国科学家正在申请国家重点基础研究发展计划(“973”计划)的项目3，计划为中国申请承建ILC做一些准备工作。

设计小组还在为这个完全国际化的实验室设计切实可行的管理模式。虽然ILC的造价看上去有点吓人，但并不比LHC和ITER核聚变反应堆之类的大型科学工程昂贵多少。如果一切进展顺利的话，ILC会在21世纪20年代“照亮”粒子物理学的最前沿。

我国应抓住这一历史机遇，适时申请成为相关项目的承建国，并通过相应的高效投资发展自己并赢得自身的跨越式发展，实现中国科技领域具有标志性的和实质性的战略转折。物质深层次结构和宇宙大尺度物理学规律的研究已列入国家中长期科学发展规划，而处在粒子物理革命性突破关键时期的、用于高能粒子物理实验的国际直线对撞机(International Linear Collider，ILC)计划是符合我国中长期科学发展目标的国际性大科学工程。由于这个探索直接涉及人们对一切物理质量起源的了解，因而它是物理学中极为深刻和重要的研究，探清这些极为基本的问题会对粒子物理的发展、整个物理学的发展乃至人类的发展有深远的影响。

直线对撞机的运行原理整台ILC机器总长将达到31千米1，主要由两个超导直线加速器组成，正负电子的对撞能量将达到500 GeV。(250GeV的电子与250 GeV的正电子迎头相撞，就会产生质心能量为500 GeV的对撞：)ILC每秒将产生5次脉冲，每个脉冲持续1毫秒，能产生3000个正负电子束团，使它们加速并发生对撞。每个加速器的平均束流功率约为1万千瓦。加速器将电功率转换为束流功率的总效率约为20%，因此两个加速器的耗电功率将达10万千瓦。

为了产生电子脉冲，ILC将用激光照射砷化镓靶标，每个激光脉冲可以打出数十亿个电子。所有电子的自旋方向都保持一致，这种性质被称为“自旋极化”(spin-polarized)，对研究粒子物理学中的许多问题来说非常重要。这些电子将在一段较短的超导射频直线加速器中迅速加速到5 GeV，然后注入ILC中央一个周长6．7千米的阻尼环。电子在环中绕行并产生同步辐射，与此同时，电子束团被压缩，体积减小，电子密度增加，因此实际上增加了束流强度。

200毫秒后，电子束团离开阻尼环，每个束团的长度约为9毫米，直径比头发还细。为了提高加速性能，并在与正电子束团发生碰撞时取得最好的效果，电子束团将被进一步压缩到0．3毫米长。在这一压缩过程中，电子将被加速到15 GeV。随后，束团被注入长达11．3千米的超导射频主加速器，并被加速到250GeV。 当电子在这个直线加速器中被加速到150 GeV时，这些粒子会拐个小弯，以便产生正电子束团。它们将被偏转到一个被称为“波荡器”(unduator)的特殊磁铁中，将部分能量转换为伽马射线辐射出来。这些伽马光子将被聚焦在一个每秒旋转1000次的钛合金薄片上，产生大量正负电子对。正电子被收集起来，先加速到5 GeV，再注入另一个阻尼环，最终被送入ILC另外一侧的另一个超导射频主加速器中。

一旦正负电子被加速到250 GeV，并迅速向对撞点汇聚，一系列磁透镜会把高能束团聚焦成扁平的带；伏束流，宽640纳米高6纳米。对撞发生后，剩余的束团会被引导到束流收集器上，该装置可以安全地吸收正负电子，并耗散掉它们的能量。

国际直线对撞机的组成直线加速器两台12千米长的直线加速器——一台加速电子4，一台加速正电子——加速粒子束团直到对撞点。每台加速器都由中空的结构——超导腔组成。超导腔位于一系列的低温容器内，这些容器叫做低温模块。低温模块使用液氦把超导腔冷却到-271℃，仅比绝对零度高一点，这样就使腔处于超导态。电磁波充满超导腔，推动粒子，并把它们加速到250 GeV的能量。每个电子或正电子束团含有约1000焦耳的能量，这相当于大约10兆瓦的平均束流功率。电子和正电子的产生、阻尼和加速等一系列过程每秒钟重复5次。2

超导腔使用超导材料(例如金属铌Nb)制造的超导腔被冷却到接近绝对零度，射频功率在超导腔中形成以一定频率变化的电场。带电粒子感受到电场力的作用而被加速。超导射频腔几乎不消耗能量，这意味着绝大部分电能都被用来加速粒子，而不是消耗在腔壁上产生热量。

设计和制造理想的超导腔不是一件简单的事情。1米长的超导腔是由9个单腔构成的。它要被抛光到微米级的表面光洁度，并不能含有杂质。一定的表面缺陷或者灰尘都会使超导腔失去超导电性，从而不能维持加速粒子所需的电场。超导腔在经过一系列仔细的化学处理和工艺过程后，表面变得近乎闪光。

顶点探测器国际直线对撞机的对撞点位于巨大的探测器系统的中央，在对撞点周围有一个酒瓶大小的小型径迹探测设备--顶点探测器。

这个高技术设备由许多柱状硅探测器组成，总共有10亿个像素，是如今最好的数码相机像素的好几百倍。顶点探测器就像一架三维照相机，并像一台显微镜一样，可以以微米级的精度测量对撞产生的粒子的径迹，这些粒子中可能含有少数奇特的重夸克，它们在衰变到普通物质之前只能存在l0万亿分之一秒，这些重夸克在对撞点附近衰变并被顶点探测器探测到，这类重夸克将为发现新的物理现象提供线索。

束流输运系统为了使亮度尽可能大，粒子束团的尺寸必须非常小。在对撞点两边各有一个由一系列磁铁组成的两公里长的束流输运系统。这个系统把正负电子的束团尺寸都压缩到几纳米高、几百纳米宽。束流输运系统还要刮掉偏离轨道的粒子，以保护敏感的磁铁和探测器。磁铁将改变心子和正电子束团的对撞姿态，使其头对头对撞。

粒子探测器电子束团和正电子束团以接近光速的速度相向运动，最终以500 GeV的总能量实现对撞。两个可以互换的庞大的粒子探测器将记录这一壮观的对撞过程。它们像巨大的照相机，对正负电子对撞产生的飞驰的粒子进行快速拍照。这两 个探测器采用的技术不同，但是互为补充，都将使用最先进的技术来捕捉每个相互作用产生的各种粒子的宝贵信息。两个探测器的联合使用将对不易分辨的信号进行必不可少的交叉核对,这些信号可能预示着新的物理发现。

阻尼环高密度束团在探测器中可以产牛丰富的对撞事例，而电子和正电子束团在刚产生的时候都不够紧密。国际直线刘撞机使用两个周长6.7千米的阻尼环，一个电子环，一个正电子环，来解决这个问题。在每个阻尼环中，束团多次通过一系列扭摆器，在其中左右扭摆，变得更为紧密。每一个束团在阻尼环中的运动时间大约是五分之一秒，环绕约一万圈之后被引出。磁铁使粒子在阻尼环的圆形轨道上保持一定的运动轨迹，并对其进行聚焦。在阻尼环的出口处，束团长度为几毫米，而厚度比人的头发的直径还要小。

国际直线对撞机的技术挑战能量同际直线对撞机所要探测的能量范围远远超过任何正负心子对撞机曾经达到过的能量。为了得到500 GeV对撞所需的250 GeV的束流能量，需要的加速电压相当于把1670亿个标准5号电池头尾相接所形成的电压。

加速梯度“加速”意味着粒子速度和能量的同时增大。一般使用“加速梯度”来表示加速器中粒子在中位距离内的能量增长，其常用中位是伏特每米。要在尽可能短的距离内把粒子加速到尽可能高的能量。加速梯度越高，国际直线对撞机就可以做的越短，从而越便宜。对于一定长度的机器，加速梯度决定了电子和正电子最终对撞时的能量。物理原理决定了超导腔的加速梯度有一个上限。我们正在努力使超导腔的加速梯度接近这一上限。15年前，最高的加速梯度大约是5兆伏每米。经过大量的研究，现在加速梯度有了大幅度的提高。国际直线对撞机的加速梯度目标是31.5兆伏每米。

超导技术带电粒子只能由电场加速。我们向超导铌腔中输入能量脉冲来建立加速电场。超导腔浸泡在-271℃的液氦里，再放置到由热屏蔽层和外壳构成的低温叵温器中。外界环境一般比超导腔的温度高300℃，低温恒温器的作片用是使超导腔与外界环境之间隔热。每台直线加速器包含8000个大约1米长的超导腔，它们在低温模块中头尾相接，用来加速电子和正电子。

亮度为了取得新的物理发现，我们需要大量高质量的数据。电子和正电子对撞的频率越高，产生的感兴趣的数据就越多。这就需要高的亮度，即单位截面的对撞速率。国际直线对撞机要求的亮度超过每平方厘米每秒10^34次对撞，这是设计这台机器的主要挑战。我们可以采取措施，把尽可能多的正负电子压缩到一个尽可能小的束团中去，并使束团头对头对撞，从而达到高亮度。这意味着，要让超过100亿个电子或正电子挤到一个大约5纳米高、500纳米宽的束团中去。然后再使用先进的反馈技术控制束团进行对撞。

粒子探测器粒子探测器是国际直线对撞机的画龙点睛之笔。探测器包围在正负电子对撞点的周围，给出破解量子宇宙的信息。探测器的长、宽、高均为12米，有3层楼房那么高，重达几千吨，包括所有的组件和电缆，以及一块具有很强磁场的磁铁。5

采用当今世界最先进的技术，探测器将记录每一次对撞过程以及对撞产生的新粒子。数以百万计的电子学通道将记录下宝贵的数据，并确保无一遗漏。这些先进技术在10年前还是难以想象的。

基于这些数据，我们可以重建每次对撞过程，以足够的精度考察每个事例，从而理解对撞中的物理机制。这些分析结果

可以用来寻找暗物质粒子、希格斯粒子、超粒子，或者发现未预料到的东西，并进行进一步的详细研究。国际直线对撞机的探测器将可以使我们以前所未有的精度来研究粒子的对撞过程。15

高能强子对撞机与正负电子直线对撞机的关系高能加速器是粒子物理最重要的研究手段6。为了全面研究电弱对称性自发破缺机制和一切质量起源等基本问题,探索超出标准模型的新物理现象,理解宇宙观测中暗物质和暗能量的性质,人类需要建造一个能够达到TeV(1012电子伏特)能区的强子对撞机和一个正负电子直线对撞机.目前在欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)已于2010年3月30日成功地进行了对撞实验,这标志着LHC正式进入了物理实验阶段.强子对撞机LHC有能力发现新现象,但要揭示清楚新物理规律则必须进行足够精确的测量,这是LHC难以做到的(质子与反质子中各由3个夸克组成,对撞的初始条件复杂).然而,TeV能量级的正负电子直线对撞机能够进行非常精确的测量(电子是没有内在结构的基本粒子,对撞初始条件简单、清晰),因此,在今后的粒子物理实验研究中,这两台高能对撞机的相互补充将起到关键的作用.这是国际高能物理学界经过二十多年的研究后得到的共识.LHC的成功对撞,为正负电子直线对撞机最终对撞能量参数的确定创造了条件。

LC是直线对撞机将是正负电子对撞机的能量前沿,可以预期这两个大科学装置上的研究工作将成为粒子物理研究的主流.未来正负电子对撞机之所以采用直线对撞机而不是环型对撞机,主要是为了避免环型加速器中粒子偏转过程中沿切线方向产生的,正比于粒子能量四次方的高功率能量损失。

我国开展ILC关键技术研究现状我国科学家在ILC粒子物理理论和实验方面已经开展了多方面的研究,例如,通过什么粒子反应过程能探测新物理信号,并为未来的实验提供指导;LHC和ILC的研究相互补充问题;寻找各种新粒子和普遍探测现有粒子的有效相互作用;提出新物理模型等.在ILC实验物理方面,开展了利用Monte Carlo方法研究ILC探测器的性能,探索新物理信号的分析方法,以及粒子的重建方法等内容3。

在探测器研究方面,主要集中在以下两个主要的方向上:一是研究将我国现有的、在国际上具有领先水平的探测器建造技术应用到ILC上的可能性;二是大力开展我国目前还比较薄弱、但未来迫切需要并有很好应用前景的相关技术研究。

通过近年来建造国内外的高能物理大科学工程(如北京谱仪Ⅲ)和参加LHC上的CMS和ATLAS实验组等国际合作,在探测器研究和建造方面积累了很多具有国际领先水平的关键技术,这些技术在ILC上的应用前景是我们参加ILC国际合作的一个重要基础.例如,我国在基于RPC技术的探测器研制方面掌握了有我们自己知识产权的技术,在北京谱仪的升级改造中起到了关键性的作用.目前正在研究如何做出相应的改进,来适应直线对撞机上的探测器中缪子探测器和强子量能器的技术要求.清华大学开展了关于时间投影室(TPC)的研究,并于2007年正式加入了LCTPC国际合作组.

在目前ILC上探测器的两个方案中7，ILD采用TPC作为主径迹探测器.2006年建成了小模型TPC(国际上称为TUTPC)后通过一系列测量实验,性能达到了国外同类小模型的水平.2007年,TUTPC在KEK的磁场中进行宇宙线测试,为ILC上的TPC研制提供了重要的数据。

在ILC总体设计方面,提出了中方的对撞机参数选择;推翻了长期以来国际上TME结构设计ILC阻尼环的方案,采用FODO结构给出了ILC阻尼环6km及3.2km两种设计方案8。在ATF2的束流光学设计方面,通过与法国LAL合作,优化了ATF2的设计指标,把37nm的设计束斑减小到20nm。在ILC实验装置硬件合作方面,自2006年以来,中科院高能所为建在日本KEK的ILC-ATF2实验装置共生产了34块四极磁铁和3块二极磁铁并已交付使用,现已应用在KEK的ATF2传输线上。这一实质性硬件生产贡献,为中国积极参与ILC其他方面的合作争取到了有利的条件。