高能对撞机实验之未来发展趋势

岳崇兴，张纳倩，于海湄

(辽宁师范大学 物理与电子技术学院，辽宁 大连 116029)

高能对撞机是高能物理(粒子物理)的重要实验手段.目前，高能对撞机实验已经取得了巨大的成功，对粒子物理标准模型的精确检验以及基本粒子的探测起到重要支撑作用.比如，正在运行的欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)，在2012年7月发现了所谓的“上帝粒子”(Higgs粒子)[1-2].

LHC或其他正在运行的低能对撞机实验，如BES、Belle Ⅱ等，受它的质心能量或积分亮度所限，还不能够直接产生重的新粒子，或对目前所发现的粒子的性质进行更精确的测量.所以现在人们正在设计一些新的对撞机来完成现正在运行的对撞机不能够完成的物理目标，借以深化人们对物质结构及其运动规律的认识.目前正在设计的对撞机主要有：国际正负电子线性对撞机(ILC)[3-4]、紧凑型正负电子线性对撞机(CLIC)[5-6]、中国环形正负电子对撞机(CEPC)[7-8]、未来环形对撞机(FCC)[9]、超级质子对撞机(SppC)[10]和电子-强子对撞机[11].

对撞机内部结构的不同(环形或线型)、对撞粒子束类型的不同(电子束或质子束)以及质心能量的不同，反映了其物理目标不同以及其对某一可观测物理量的关注点不同.可以从以下3个方面来判断未来对撞机的优劣或是否有必要建设[12]：

(1)测量数据的正确性.这个标准就是指对撞机给出的数据必须是有用且正确的，即所谓的“测量价值”：可以用收集到的大量数据更深入的探测粒子物理标准模型的正确性及适用范围，推动新粒子的探索.对撞机的研究对象包括但不局限于Higgs玻色子、规范玻色子、味物理、新的基本相互作用等.

(2)发现和探测新粒子的能力.虽然目前无法确定超出标准模型的新物理一定存在，但未来对撞机必须对新物理非常敏感，并对现有的新物理模型给出肯定或否定的回答，以深化人们对新物理的认识，且应该具有足够的灵活性以适应新的物理思想.

(3)给出结论的准确性.虽然，正在运行或设计的任何一个对撞机实验都很难对粒子物理的重要问题(如暗物质是什么？新粒子的质量是多少？中微子质量来源于弱相互作用标度吗？等)给出精确的答案，但至少应该能通过更高的对撞能量和更大的积分亮度得出相对精确的结论，推动粒子物理发展.

目前正在设计的高能对撞机按照对撞粒子的类型，可分为三类：正负电子对撞机、强子对撞机、电子-质子对撞机，按照对撞粒子运行方式又可分为线性和环形.本文将重点介绍这三类对撞机的基本参数和物理目标，为读者了解粒子物理领域的重要实验手段——高能对撞机提供指导.

1 正负电子对撞机

正负电子对撞机是最早的对撞机实验，为人们认识物质世界的内部结构提供了大量的实验数据，极大地推动了粒子物理的发展.如LEP实验(已经停止运行)[13]发现了规范玻色子W和Z等基本粒子，对探测基本相互作用、检验粒子物理标准模型的正确性起到重要作用.

1.1 线性正负电子对撞机

1.1.1 国际正负电子线性对撞机(ILC)

国际正负电子线性对撞机(ILC)[3-4]由2台长度约为11.3 km的直线加速器、超导(SC)射频(RF)腔、顶点探测器、束流系统、粒子探测器和阻尼环等构成，全长约31 km.电子加速先进入阻尼环形成电子束，随后进入超导射频加速器.电子束被加速后又进入“振荡器”，生成正负电子束.从中分离的正电子束被加速后导入另一个超导射频加速器.最后，正负电子束加速至预定能量并在对撞点发生碰撞.基于现有的加速技术，预计ILC分两个阶段运行(包括停运时间共计22 a)，其最初质心能量为250 GeV，优化后原则上可达到1 000 GeV，可使电子束极化率达80%、正电子束的极化率达30%.

1.1.2 紧凑型正负电子线性碰撞机(CLIC)

2012年起，已有22个国家先后参与到CLIC的设计中，它也是由2个直线加速器组成的，通过超导加速腔对高流强、低能量的驱动粒子束进行加速，依靠驱动粒子束的射频场产生加速梯度，推动质心能量从初始的380 GeV提升到1.5 TeV并最终达到3 TeV，瞬时亮度6×1034cm-2s-1.亦可使电子束极化，预计分3个阶段运行(包括停运共计26 a)[5-6].

1.2 环形正负电子对撞机

目前正在设计的环形正负电子对撞机主要有：未来环形正负电子对撞机(FCC-ee)[14]和中国环形正负电子对撞机(CEPC)[7-8]，分别由欧洲核子研究中心(CERN)和中国设计，属同一类型对撞机.

1.2.1 未来环形正负电子对撞机(FCC-ee)

FCC-ee[14]是在已运行50 a的环形正负电子对撞机(包括LEP、SLC、VEPP-4、KEKB、PEP-ⅡB介子工厂和 BEPC-Ⅱ、DAΦNE、超级B介子工厂等)的基础上，结合控制同步辐射的新型真空室(50 MW/束)、高能量的纯Nb射频(RF)腔、不均匀正负电子束线等新技术而设计的.FCC-ee可在高对撞能量下达到极高的亮度.其瞬时亮度范围为1.5×1034～2×1036cm-2s-1.预计运行时间、质心能量、积分亮度如表1所示.

表1 FCC-ee的运行计划主要参数[10]

1.2.2 中国环形正负电子对撞机(CEPC)

CEPC[7-8]的设计技术水平和性能与FCC-ee相当，但它的亮度低于FCC-ee的亮度(通常低两倍).这主要是由于设计的粒子束同步功率较小(30 MW/束而不是50 MW/束)、探测器磁场较大(其中一个探测器是3 T而不是2 T)、在IP(主要在Z极)有较大的离焦效应、不同工作点的优化(以限制粒子束辐射对束能量传播的影响).CEPC内正负电子不发生极化，有两个实验组收集并对数据求平均，以验证得到数据的可靠性.

1.3 正负电子对撞机的物理目标

和正在运行、且已取得丰硕物理结果的强子对撞机LHC相比，正负电子对撞机弥补了测量精度不足的缺陷，可以给出已发现粒子(如Higgs玻色子、顶夸克等)性质的高精度实验结果.其次，正负电子对撞机也有助于在较高的质心能量下进一步精确检验标准模型，深入探测电弱对称性破缺机制.此外，有可能在正负电子对撞机上找到暗物质的信号，为宇宙学研究提供实验依据.FCC-ee或CEPC相对于ILC来说，它的质心能量更高，测量精度也更高，不仅可以达到ILC所要达到的物理目标，而且还可以产生并研究更重的新粒子.

在标准模型框架下，Higgs玻色子是发现最晚，性质研究最不充分的粒子.与W和Z规范玻色子一样，与Higgs玻色子相关的可观测物理量通常有几个百分点的量子修正.对其性质的精确测量不仅可进一步精确检验粒子物理标准模型，而且可帮助人们了解电弱对称性破缺机制、甚至物质的起源.因此，精确测量Higgs玻色子性质是所有未来正负电子对撞机的主要目标.FCC-ee、CEPC将可产生数百万个Higgs玻色子事例，把测量精度提高到千分之一水平.

2 强子对撞机

2.1 强子对撞机分类

2.1.1 大型强子对撞机(LHC)

LHC是目前正在运行的能量最高的对撞机，在其加速环上的4个碰撞点上分别设有探测器：ATLAS，CMS，ALICE和LHCb.Higgs玻色子就是由ATLAS和CMS两个实验组同时发现的.LHC全长约26.7 km，总质心能量14 TeV，初始亮度1034cm-2s-1可提升至2×1034cm-2s-1，目标亮度可达0.3 ab-1.更多有关LHC的参数见表2.

2.1.2 高亮度强子对撞机(HL-LHC)

HL-LHC是积分亮度更高的LHC，从初始亮度5×1034cm-2s-1可提升至7.5×1034cm-2s-1，目标亮度达3 ab-1.HL-LHC仅提高了LHC的积分亮度，其质心能量(14 TeV)和粒子运行周长(26.7 km)与LHC相同.预计将于2025年运行，每年可产生1 500万个Higgs玻色子(2012年LHC仅产生120万)，可优化LHC的实验环境并对粒子进行更精确的测量.HL-LHC的主要参数见表2第3列.

2.1.3 高能量强子对撞机(HE-LHC)

HE-LHC使用LHC的隧道，其质心能量、同步辐射率(尤其是瞬时pp碰撞率)都远高于LHC，可产生更重的新粒子.预计利用16 T磁铁新技术可使其质心能量达到27 TeV，运行20 a总积分亮度可达到15 ab-1， HE-LHC的主要参数见表2第4列.

表2 LHC、HL-LHC、HE-LHC和FCC-hh的相关参数[15]

2.1.4 环形强子对撞机(FCC-hh)

FCC-hh[9]的主要设计参数：质心能量是100 TeV，初始亮度为30×1034cm-2s-1.它具有两个高亮度相互作用点(IPs)，每天的最佳积分亮度约为2.3(8.2) fb-1.整个过程结束时的总积分亮度取决于持续时间.估算表明：如总积分亮度达到20 ab-1的目标，它需要运行25 a.FCC-hh同LHC一样具有很高的工作效率.

2.2 强子对撞机的物理目标

LHC的物理目标是进一步检验标准模型，深入探索电弱对称破缺机制，寻找新物理信号、CP破坏机制，探测宇宙中的暗能量和暗物质，已于2012年成功发现Higgs粒子.HL-LHC和HE-LHC都在LHC的基础上不断提升积分亮度和质心能量，目标是把积分亮度从0.3 ab-1提升到3 ab-1并最终达到10 ab-1，粒子对撞能量也增加了一倍.在不同能区可研究不同种类粒子的性质，对某些物理量的探测精度也不同，可更加详细地分析粒子特性.

FCC-hh将以LHC的7倍对撞能量运行，并可达到10倍于LHC的积分亮度.此特点非常适用于大质量粒子(如，基本粒子向对应的新Z′、W′规范玻色子或超对称理论中的超胶子、夸克等)性质的研究，且可大大增加已经在LHC探测范围内的基本粒子(如顶夸克、Higgs玻色子等)的产生率，故可提高探测精度.在计划的25 a运行期内，FCC-hh将产生超过1010个Higgs玻色子，是LHC在Run2阶段收集的几千倍.FCC-hh将用这些数据降低大多数LHC研究中Higgs信号的不确定性，从而提升某些可观测物理量的测量精度.FCC-hh还将继续LHC对重离子碰撞以及QCD热力学行为的研究，内容涉及到量子场论的基本性质、宇宙学和天体物理学.

3 电子-强子对撞机

3.1 电子-强子对撞机分类

3.1.1 大型电子强子对撞机(LHeC)

LHeC[11](预计可在未来10 a内建成)的粒子束是由两个运行方向相反的环形加速器(ERL)所提供的，LHeC将对ERL的性能进行详细的设计和研究.投入不大时，可使电子束能量达Ee=60 GeV.当然，加大经费的投入、扩大粒子束的运行距离也可使电子束能量增加(如Ee=100 GeV,120 GeV,甚至更大)、降低束流能量的不确定性.目前的研究表明：电子束能量达Ee=100 GeV时，LHeC获得的能量已足够通过深度非弹性散射研究某些新物理的可能物理信号.

3.1.2 环形电子离子对撞机(FCC-eh)

FCC-eh[9]和FCC-hh将一起运行25 a.电子强子相互作用对多TeV能量的强子束(质子或重离子)影响很小，可以忽略不计.FCC-eh的能量回收直线加速器将位于FCC轨道的内部，并在某点处与强子束相切，可提供量级为2 ab-1的积分亮度.虽然它只有一个检测器，但可以采取两种方式收集数据，实现精确测量和探测方案的交叉验证.当瞬时亮度超过1034cm-2s-1时，可以在1～2 d内重现HERA对撞机 15 a给出的全部结果.FCC-eh将安装前置探测器和后置探测器，用于探测初态粒子束对撞产生的在特殊方向运动的粒子束，该探测器的大小相当于大型强子对撞机上的CMS探测器.

3.2 电子-强子对撞机的物理目标

电子-强子对撞机的质心能量一般比正负电子对撞机的质心能量高，而其背景比强子对撞机要干净的多.因此，电子-强子对撞机探测某些过程或某些可观测物理量有其特殊的优越性.LHeC[11]将在LHC处于高亮度阶段时运行，当然也可通过降低电子束流能量，在低亮度下运行.比如，当积分亮度达3 ab-1时，LHeC可在3σ误差范围内排除或证实Higgs玻色子与顶夸克相互作用的cp-奇耦合的存在性.FCC-eh对撞机将成为有史以来最强大、且分辨率最高的物质微观结构显微镜.在Higgs粒子的研究，特别是夸克子结构、轻夸克、惰性中微子的研究方面，FCC-eh将是FCC-hh、FCC-ee很好的补充.进一步来说，关于电子和离子的对撞将原来轻子核子对撞实验的能量增大4个数量级，必将彻底改变对部分子动力学和原子核亚结构的理解，揭示夸克-胶子等离子体的形成和发展.

4 总 结

随着人类文明的进步、科技的快速发展，对自然界奥秘的探索比以往任何时候都更为迫切.表3给出了未来对撞机的总体概述,对于正负电子对撞机、HL-LHC来说积分亮度等于探测器记录的亮度之和，而HE-LHC和FCC-hh则等于记录值的75%.所有对撞机的质心能量值都为近似值，时间指的是计划运行时间，给定的极化率分别对应于电子束和正电子束.HL-LHC、HE-LHC、FCC、CLIC和LHeC的瞬时亮度和积分亮度值可参考文献[16]，这些对撞机每年运行的时间为1.2×107s(由CERN提供).CEPC(ILC)的年积分亮度计算时间为1.3×107(1.6×107)s.当瞬时亮度有两个值时，分别对应于改进前和改进后.在考虑整体规划时，使用最高能量的对应值，如ILC500或CLIC3000，它也包含了低能时运行的结果.同时也给出了对撞机在升级改造、调试过程中所需的停运时间，总时间包含给定能量下计划的停运时间.

表3 未来对撞机概述[17]