高能對撞機實驗之未來發(fā)展趨勢

岳崇興，張納倩，于海湄

(遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

高能對撞機是高能物理(粒子物理)的重要實驗手段.目前，高能對撞機實驗已經(jīng)取得了巨大的成功，對粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的精確檢驗以及基本粒子的探測起到重要支撐作用.比如，正在運行的歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)，在2012年7月發(fā)現(xiàn)了所謂的“上帝粒子”(Higgs粒子)[1-2].

LHC或其他正在運行的低能對撞機實驗，如BES、Belle Ⅱ等，受它的質(zhì)心能量或積分亮度所限，還不能夠直接產(chǎn)生重的新粒子，或?qū)δ壳八l(fā)現(xiàn)的粒子的性質(zhì)進行更精確的測量.所以現(xiàn)在人們正在設(shè)計一些新的對撞機來完成現(xiàn)正在運行的對撞機不能夠完成的物理目標(biāo)，借以深化人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其運動規(guī)律的認識.目前正在設(shè)計的對撞機主要有：國際正負電子線性對撞機(ILC)[3-4]、緊湊型正負電子線性對撞機(CLIC)[5-6]、中國環(huán)形正負電子對撞機(CEPC)[7-8]、未來環(huán)形對撞機(FCC)[9]、超級質(zhì)子對撞機(SppC)[10]和電子-強子對撞機[11].

對撞機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同(環(huán)形或線型)、對撞粒子束類型的不同(電子束或質(zhì)子束)以及質(zhì)心能量的不同，反映了其物理目標(biāo)不同以及其對某一可觀測物理量的關(guān)注點不同.可以從以下3個方面來判斷未來對撞機的優(yōu)劣或是否有必要建設(shè)[12]：

(1)測量數(shù)據(jù)的正確性.這個標(biāo)準(zhǔn)就是指對撞機給出的數(shù)據(jù)必須是有用且正確的，即所謂的“測量價值”：可以用收集到的大量數(shù)據(jù)更深入的探測粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的正確性及適用范圍，推動新粒子的探索.對撞機的研究對象包括但不局限于Higgs玻色子、規(guī)范玻色子、味物理、新的基本相互作用等.

(2)發(fā)現(xiàn)和探測新粒子的能力.雖然目前無法確定超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理一定存在，但未來對撞機必須對新物理非常敏感，并對現(xiàn)有的新物理模型給出肯定或否定的回答，以深化人們對新物理的認識，且應(yīng)該具有足夠的靈活性以適應(yīng)新的物理思想.

(3)給出結(jié)論的準(zhǔn)確性.雖然，正在運行或設(shè)計的任何一個對撞機實驗都很難對粒子物理的重要問題(如暗物質(zhì)是什么？新粒子的質(zhì)量是多少？中微子質(zhì)量來源于弱相互作用標(biāo)度嗎？等)給出精確的答案，但至少應(yīng)該能通過更高的對撞能量和更大的積分亮度得出相對精確的結(jié)論，推動粒子物理發(fā)展.

目前正在設(shè)計的高能對撞機按照對撞粒子的類型，可分為三類：正負電子對撞機、強子對撞機、電子-質(zhì)子對撞機，按照對撞粒子運行方式又可分為線性和環(huán)形.本文將重點介紹這三類對撞機的基本參數(shù)和物理目標(biāo)，為讀者了解粒子物理領(lǐng)域的重要實驗手段——高能對撞機提供指導(dǎo).

1 正負電子對撞機

正負電子對撞機是最早的對撞機實驗，為人們認識物質(zhì)世界的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了大量的實驗數(shù)據(jù)，極大地推動了粒子物理的發(fā)展.如LEP實驗(已經(jīng)停止運行)[13]發(fā)現(xiàn)了規(guī)范玻色子W和Z等基本粒子，對探測基本相互作用、檢驗粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的正確性起到重要作用.

1.1 線性正負電子對撞機

1.1.1 國際正負電子線性對撞機(ILC)

國際正負電子線性對撞機(ILC)[3-4]由2臺長度約為11.3 km的直線加速器、超導(dǎo)(SC)射頻(RF)腔、頂點探測器、束流系統(tǒng)、粒子探測器和阻尼環(huán)等構(gòu)成，全長約31 km.電子加速先進入阻尼環(huán)形成電子束，隨后進入超導(dǎo)射頻加速器.電子束被加速后又進入“振蕩器”，生成正負電子束.從中分離的正電子束被加速后導(dǎo)入另一個超導(dǎo)射頻加速器.最后，正負電子束加速至預(yù)定能量并在對撞點發(fā)生碰撞.基于現(xiàn)有的加速技術(shù)，預(yù)計ILC分兩個階段運行(包括停運時間共計22 a)，其最初質(zhì)心能量為250 GeV，優(yōu)化后原則上可達到1 000 GeV，可使電子束極化率達80%、正電子束的極化率達30%.

1.1.2 緊湊型正負電子線性碰撞機(CLIC)

2012年起，已有22個國家先后參與到CLIC的設(shè)計中，它也是由2個直線加速器組成的，通過超導(dǎo)加速腔對高流強、低能量的驅(qū)動粒子束進行加速，依靠驅(qū)動粒子束的射頻場產(chǎn)生加速梯度，推動質(zhì)心能量從初始的380 GeV提升到1.5 TeV并最終達到3 TeV，瞬時亮度6×1034cm-2s-1.亦可使電子束極化，預(yù)計分3個階段運行(包括停運共計26 a)[5-6].

1.2 環(huán)形正負電子對撞機

目前正在設(shè)計的環(huán)形正負電子對撞機主要有：未來環(huán)形正負電子對撞機(FCC-ee)[14]和中國環(huán)形正負電子對撞機(CEPC)[7-8]，分別由歐洲核子研究中心(CERN)和中國設(shè)計，屬同一類型對撞機.

1.2.1 未來環(huán)形正負電子對撞機(FCC-ee)

FCC-ee[14]是在已運行50 a的環(huán)形正負電子對撞機(包括LEP、SLC、VEPP-4、KEKB、PEP-ⅡB介子工廠和 BEPC-Ⅱ、DAΦNE、超級B介子工廠等)的基礎(chǔ)上，結(jié)合控制同步輻射的新型真空室(50 MW/束)、高能量的純Nb射頻(RF)腔、不均勻正負電子束線等新技術(shù)而設(shè)計的.FCC-ee可在高對撞能量下達到極高的亮度.其瞬時亮度范圍為1.5×1034～2×1036cm-2s-1.預(yù)計運行時間、質(zhì)心能量、積分亮度如表1所示.

表1 FCC-ee的運行計劃主要參數(shù)[10]

1.2.2 中國環(huán)形正負電子對撞機(CEPC)

CEPC[7-8]的設(shè)計技術(shù)水平和性能與FCC-ee相當(dāng)，但它的亮度低于FCC-ee的亮度(通常低兩倍).這主要是由于設(shè)計的粒子束同步功率較小(30 MW/束而不是50 MW/束)、探測器磁場較大(其中一個探測器是3 T而不是2 T)、在IP(主要在Z極)有較大的離焦效應(yīng)、不同工作點的優(yōu)化(以限制粒子束輻射對束能量傳播的影響).CEPC內(nèi)正負電子不發(fā)生極化，有兩個實驗組收集并對數(shù)據(jù)求平均，以驗證得到數(shù)據(jù)的可靠性.

1.3 正負電子對撞機的物理目標(biāo)

和正在運行、且已取得豐碩物理結(jié)果的強子對撞機LHC相比，正負電子對撞機彌補了測量精度不足的缺陷，可以給出已發(fā)現(xiàn)粒子(如Higgs玻色子、頂夸克等)性質(zhì)的高精度實驗結(jié)果.其次，正負電子對撞機也有助于在較高的質(zhì)心能量下進一步精確檢驗標(biāo)準(zhǔn)模型，深入探測電弱對稱性破缺機制.此外，有可能在正負電子對撞機上找到暗物質(zhì)的信號，為宇宙學(xué)研究提供實驗依據(jù).FCC-ee或CEPC相對于ILC來說，它的質(zhì)心能量更高，測量精度也更高，不僅可以達到ILC所要達到的物理目標(biāo)，而且還可以產(chǎn)生并研究更重的新粒子.

在標(biāo)準(zhǔn)模型框架下，Higgs玻色子是發(fā)現(xiàn)最晚，性質(zhì)研究最不充分的粒子.與W和Z規(guī)范玻色子一樣，與Higgs玻色子相關(guān)的可觀測物理量通常有幾個百分點的量子修正.對其性質(zhì)的精確測量不僅可進一步精確檢驗粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，而且可幫助人們了解電弱對稱性破缺機制、甚至物質(zhì)的起源.因此，精確測量Higgs玻色子性質(zhì)是所有未來正負電子對撞機的主要目標(biāo).FCC-ee、CEPC將可產(chǎn)生數(shù)百萬個Higgs玻色子事例，把測量精度提高到千分之一水平.

2 強子對撞機

2.1 強子對撞機分類

2.1.1 大型強子對撞機(LHC)

LHC是目前正在運行的能量最高的對撞機，在其加速環(huán)上的4個碰撞點上分別設(shè)有探測器：ATLAS，CMS，ALICE和LHCb.Higgs玻色子就是由ATLAS和CMS兩個實驗組同時發(fā)現(xiàn)的.LHC全長約26.7 km，總質(zhì)心能量14 TeV，初始亮度1034cm-2s-1可提升至2×1034cm-2s-1，目標(biāo)亮度可達0.3 ab-1.更多有關(guān)LHC的參數(shù)見表2.

2.1.2 高亮度強子對撞機(HL-LHC)

HL-LHC是積分亮度更高的LHC，從初始亮度5×1034cm-2s-1可提升至7.5×1034cm-2s-1，目標(biāo)亮度達3 ab-1.HL-LHC僅提高了LHC的積分亮度，其質(zhì)心能量(14 TeV)和粒子運行周長(26.7 km)與LHC相同.預(yù)計將于2025年運行，每年可產(chǎn)生1 500萬個Higgs玻色子(2012年LHC僅產(chǎn)生120萬)，可優(yōu)化LHC的實驗環(huán)境并對粒子進行更精確的測量.HL-LHC的主要參數(shù)見表2第3列.

2.1.3 高能量強子對撞機(HE-LHC)

HE-LHC使用LHC的隧道，其質(zhì)心能量、同步輻射率(尤其是瞬時pp碰撞率)都遠高于LHC，可產(chǎn)生更重的新粒子.預(yù)計利用16 T磁鐵新技術(shù)可使其質(zhì)心能量達到27 TeV，運行20 a總積分亮度可達到15 ab-1， HE-LHC的主要參數(shù)見表2第4列.

表2 LHC、HL-LHC、HE-LHC和FCC-hh的相關(guān)參數(shù)[15]

2.1.4 環(huán)形強子對撞機(FCC-hh)

FCC-hh[9]的主要設(shè)計參數(shù)：質(zhì)心能量是100 TeV，初始亮度為30×1034cm-2s-1.它具有兩個高亮度相互作用點(IPs)，每天的最佳積分亮度約為2.3(8.2) fb-1.整個過程結(jié)束時的總積分亮度取決于持續(xù)時間.估算表明：如總積分亮度達到20 ab-1的目標(biāo)，它需要運行25 a.FCC-hh同LHC一樣具有很高的工作效率.

2.2 強子對撞機的物理目標(biāo)

LHC的物理目標(biāo)是進一步檢驗標(biāo)準(zhǔn)模型，深入探索電弱對稱破缺機制，尋找新物理信號、CP破壞機制，探測宇宙中的暗能量和暗物質(zhì)，已于2012年成功發(fā)現(xiàn)Higgs粒子.HL-LHC和HE-LHC都在LHC的基礎(chǔ)上不斷提升積分亮度和質(zhì)心能量，目標(biāo)是把積分亮度從0.3 ab-1提升到3 ab-1并最終達到10 ab-1，粒子對撞能量也增加了一倍.在不同能區(qū)可研究不同種類粒子的性質(zhì)，對某些物理量的探測精度也不同，可更加詳細地分析粒子特性.

FCC-hh將以LHC的7倍對撞能量運行，并可達到10倍于LHC的積分亮度.此特點非常適用于大質(zhì)量粒子(如，基本粒子向?qū)?yīng)的新Z′、W′規(guī)范玻色子或超對稱理論中的超膠子、夸克等)性質(zhì)的研究，且可大大增加已經(jīng)在LHC探測范圍內(nèi)的基本粒子(如頂夸克、Higgs玻色子等)的產(chǎn)生率，故可提高探測精度.在計劃的25 a運行期內(nèi)，F(xiàn)CC-hh將產(chǎn)生超過1010個Higgs玻色子，是LHC在Run2階段收集的幾千倍.FCC-hh將用這些數(shù)據(jù)降低大多數(shù)LHC研究中Higgs信號的不確定性，從而提升某些可觀測物理量的測量精度.FCC-hh還將繼續(xù)LHC對重離子碰撞以及QCD熱力學(xué)行為的研究，內(nèi)容涉及到量子場論的基本性質(zhì)、宇宙學(xué)和天體物理學(xué).

3 電子-強子對撞機

3.1 電子-強子對撞機分類

3.1.1 大型電子強子對撞機(LHeC)

LHeC[11](預(yù)計可在未來10 a內(nèi)建成)的粒子束是由兩個運行方向相反的環(huán)形加速器(ERL)所提供的，LHeC將對ERL的性能進行詳細的設(shè)計和研究.投入不大時，可使電子束能量達Ee=60 GeV.當(dāng)然，加大經(jīng)費的投入、擴大粒子束的運行距離也可使電子束能量增加(如Ee=100 GeV,120 GeV,甚至更大)、降低束流能量的不確定性.目前的研究表明：電子束能量達Ee=100 GeV時，LHeC獲得的能量已足夠通過深度非彈性散射研究某些新物理的可能物理信號.

3.1.2 環(huán)形電子離子對撞機(FCC-eh)

FCC-eh[9]和FCC-hh將一起運行25 a.電子強子相互作用對多TeV能量的強子束(質(zhì)子或重離子)影響很小，可以忽略不計.FCC-eh的能量回收直線加速器將位于FCC軌道的內(nèi)部，并在某點處與強子束相切，可提供量級為2 ab-1的積分亮度.雖然它只有一個檢測器，但可以采取兩種方式收集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)精確測量和探測方案的交叉驗證.當(dāng)瞬時亮度超過1034cm-2s-1時，可以在1～2 d內(nèi)重現(xiàn)HERA對撞機 15 a給出的全部結(jié)果.FCC-eh將安裝前置探測器和后置探測器，用于探測初態(tài)粒子束對撞產(chǎn)生的在特殊方向運動的粒子束，該探測器的大小相當(dāng)于大型強子對撞機上的CMS探測器.

3.2 電子-強子對撞機的物理目標(biāo)

電子-強子對撞機的質(zhì)心能量一般比正負電子對撞機的質(zhì)心能量高，而其背景比強子對撞機要干凈的多.因此，電子-強子對撞機探測某些過程或某些可觀測物理量有其特殊的優(yōu)越性.LHeC[11]將在LHC處于高亮度階段時運行，當(dāng)然也可通過降低電子束流能量，在低亮度下運行.比如，當(dāng)積分亮度達3 ab-1時，LHeC可在3σ誤差范圍內(nèi)排除或證實Higgs玻色子與頂夸克相互作用的cp-奇耦合的存在性.FCC-eh對撞機將成為有史以來最強大、且分辨率最高的物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)顯微鏡.在Higgs粒子的研究，特別是夸克子結(jié)構(gòu)、輕夸克、惰性中微子的研究方面，F(xiàn)CC-eh將是FCC-hh、FCC-ee很好的補充.進一步來說，關(guān)于電子和離子的對撞將原來輕子核子對撞實驗的能量增大4個數(shù)量級，必將徹底改變對部分子動力學(xué)和原子核亞結(jié)構(gòu)的理解，揭示夸克-膠子等離子體的形成和發(fā)展.

4 總 結(jié)

隨著人類文明的進步、科技的快速發(fā)展，對自然界奧秘的探索比以往任何時候都更為迫切.表3給出了未來對撞機的總體概述,對于正負電子對撞機、HL-LHC來說積分亮度等于探測器記錄的亮度之和，而HE-LHC和FCC-hh則等于記錄值的75%.所有對撞機的質(zhì)心能量值都為近似值，時間指的是計劃運行時間，給定的極化率分別對應(yīng)于電子束和正電子束.HL-LHC、HE-LHC、FCC、CLIC和LHeC的瞬時亮度和積分亮度值可參考文獻[16]，這些對撞機每年運行的時間為1.2×107s(由CERN提供).CEPC(ILC)的年積分亮度計算時間為1.3×107(1.6×107)s.當(dāng)瞬時亮度有兩個值時，分別對應(yīng)于改進前和改進后.在考慮整體規(guī)劃時，使用最高能量的對應(yīng)值，如ILC500或CLIC3000，它也包含了低能時運行的結(jié)果.同時也給出了對撞機在升級改造、調(diào)試過程中所需的停運時間，總時間包含給定能量下計劃的停運時間.

表3 未來對撞機概述[17]