能量前沿正负电子对撞机的研究进展

粒子物理是研究物质微观结构以及其相互作用规律的最前沿基础学科，在宇宙物质起源演化及宇宙物质构成等研究中起着重要的作用。然而，随着粒子物理的发展，人们对物质结构探索的不断深入，根据量子力学的观点，所需要的探针粒子的波长也越小，这意味着所需要的能量也越高。因此，粒子物理的发展与加速器的能量增长密不可分。

1897 年，约瑟夫·约翰·汤姆逊发现电子时，他并没有把他所用的设备称为加速器，但是这个设备确实是加速器，他通过两电极加速带电粒子来确定荷质比。尽管汤姆逊用的只是束流自身的性质，但自此，加速器在研究微观粒子特性的过程中，开始变得不可或缺。

这段时间里，亚原子微粒的实验仍然主要基于天然放射元素以及宇宙射线，例如卢瑟福和他的同事们利用放射源发现了质子和中子；在宇宙射线中发现了正电子、μ 子、π⁺ 介子、π^- 介子、k 介子等。值得一提的是，在此期间，基于加速器的应用，中性 π 介子被发现。该粒子虽然已经在基于宇宙射线的实验中被猜测可能存在，但一直没能得到确定，正是基于加速器的粒子实验，才确确实实地证实了它的存在 [1]。此后 20 多年中，越来越多的基本粒子在基于加速器的实验中被发现，比如著名的反质子、矢量介子等，基于加速器的粒子物理研究变得尤为重要，必不可少。

然而，人们发现利用加速器加速粒子束打固定靶，物理反应“有效能量”正比于粒子束能量的平方根，约为

即大部分能量浪费在对撞粒子及其产物的动能上。式中，E₀ 为粒子的静止能量。而对撞则可以将物理反应“有效能量”提高到 2 倍粒子束的能量 [2]。因此，在 20 世纪 50 年代，用于两束粒子对撞的机器——对撞机开始出现。此后大多数粒子物理的新发现源自于这些不同种类对撞机 [1, 3]。

2012 年 7 月 ， 欧洲核子研究中心（Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire，CERN）发现的希格斯玻色子（Higgs，通称“上帝粒子”），受到全球高能物理学界的广泛关注。然而，由于大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）为质子-质子对撞机，而质子不是基本粒子，它包含夸克、胶子等多种基本粒子，对撞反应的初始条件及生成结果异常复杂，因此，对于希格斯粒子的一些重要性质，例如质量、耦合、衰变等，在 LHC 上无法得到精确的测量。此外，在标准模型之外，还可能存在着新的物理。因此，对于粒子物理学来说，又一次迎来了新的机遇。本文简介了历史上的能量前沿正负电子对撞机和目前国际上提出的未来正负电子对撞机的几种方案，其中包括我国自主提出的环型正负电子对撞机（Circular Electron Positron Collider，CEPC）。

1. 正负电子对撞机加速器的发展

提起正负电子对撞机，首先，不得不从 AdA（Anello Di Accumulazione）开始谈起。AdA 是国际上第一台正负电子对撞机，它于 1960 年在意大利 Frascati 实验室开始建造，1962 年在法国奥赛（Orsay）的直线加速器研究所（Laboratoire de l’Accelerateur Lineaire，LAL）开始运行 [4]。其外形如图1所示，具有较小的尺寸，周长 3 m，可以看作桌面级设备 [5]。其结构采用了单环设计，质心最高碰撞能量在 500 MeV [4, 6]。在此之前，对于正负电子对撞机储存环中的束流几乎没有任何实验室上的测试，它的建造和运行，使得许多以前从未遇到的加速器基本问题得以暴露，包括束团尺度的实际测量、束流寿命的核对、如何确认正负电子束相互碰撞等，这些非常重要问题的研究在 AdA 上得到开展。在 AdA 上，正负电子对撞首次被观测到，Touschek 效应 [7] 于 1963 年被发现。可以说 AdA 是以后正负电子储存环的最初原型，尤其对以后 ACO 和 ADONE 的建造，起到了非常重要的作用。

图1：在 1964 年拍摄的 AdA 照片 [5]

AdA 的成功建造是对正负电子对撞机概念的首次实物化，也使那些对正负电子对撞机持有怀疑态度的科学家认识到一些相关的问题并非是不能克服的 [4]。而这种新工具的重要性首先被西欧和前苏联人认识到。因此，随后 Novosibirsk 的 VEPP-II，Orsay 的 ACO 以及 Frascati 的 ADONE，均以更为合理的设计很快先后获得批准并被建造。事实上， ACO 和 ADONE 的建造正是围绕着 AdA 所呈现出的问题和限制而建设的 [8]。

VEPP-II 是 AdA 之后最先建造的正负电子对撞机，其布局图如图2(a)所示 [9]。它于 1963 年开始建造，采用单环设计，全长 11.3 m，质心最高对撞能量为 1.4 GeV， 并于 1966 年开始收集数据 [10]，1967 年正式用于正负电子实验，直到 1970 年 [3, 6, 9]。期间，VEPP-II 的亮度达到了 2 × 10²⁸ cm^-2 s^-1，主要用于测量 ρ^-，ω^-，φ^- 介子的参数以及衰败模式的研究。在 VEPP-II 的实验中，首次发现了正负电子对产生的双光子现象，成为双光子物理的开始 [9]。

图2：VEPP-II (a) [9] 及 ACO 布局图 (b) [11]

ACO 是与 VEPP-II 同期但建造稍晚的另一台正负电子对撞机，由法国 Orsay 的 LAL 建造。它主要基于 AdA 的不足而建造。从 1965 年开始作为对撞机一直服役到 1980 年，现在 ACO 作为博物馆陈列在法国。仍然采用了单环的设计，质心最高能量为 1.0 GeV [6]，周长约为 22 m [11]， 束流亮度约为 6.11 × 10²⁸ cm^-2 s^-1 [12]。在 ACO 上，螺线管型探测器首次得到应用 [13]，ω 介子和 φ 介子首次被观测到 。布局图如图2(b)所示 [11]。

作为第一代的正负电子对撞机的应用，科学家在 AdA，VEPP-II 和 ACO 上取得了丰硕的成果，同时也积累了大量的经验。正是由于 AdA 的成功，意大利的 Frascati 实验室决定建造与 AdA 同样类型但尺寸更大且具有更高能量的正负电子对撞机，这就是 ADONE（http://www.lnf.infn.it/acceleratori/adone/），其目的是寻找更高能量段的物理，质心最高对撞能量可以达到 3.0 GeV [6]，设计束流亮度为 3 × 10²⁹ cm^-2 s^-1。图3为 ADONE 的形貌照片 [4]， 周长达到了 105 m，其中，可以用于物理实验的直线空间约为 2.5 m。它从 1963 年开始建造，1969 年开始运行直到 1993 年 4 月 26 日，一共运行了 24 年，期间提供了约 22000 h 的碰撞试验，5300 h 的单束运行。关闭后，被改造成为能量更低、亮度更高的对撞机 DAFNE。

图3：ADONE 照片 [4]

SPEAR 是继 ADONE 之后，又一台能量前沿正负电子对撞机，由美国 SLAC 于 1970 年 9 月开始建造，并于 1972 年首次运行 [14]（http://today.slac.stanford.edu/feature/2010/spear-20-years.asp）。采用单环设计 [15]，周长 234 m， 质心最高对撞能量为 5.2 GeV，亮度为 6 × 10³⁰ cm^-2 s^-1 [14]。

1974~1975 年期间，SPEAR 升级为 SPEAR-II。升级后 SPEAR-II 的质心最高对撞能量达到 8.0 GeV [15]，并于 1975 年开始运行，直到 1987 年 [16]。之后作为同步辐射光源运行了 15 年，并于 2003 年进行了进一步的升级：SPEAR-III。作为对撞机期间，SPEAR 取得了重要的成果，其中 1976 年 ψ/J 粒子的发现，以及 1975 年 τ 粒子的发现，分别成就了 1976 和 1995 年的诺贝尔物理学奖 [15]。图4为 SPEAR 的俯视照片（http://fas.org/irp/imint/doe_slac_spear_01.htm）。

图4：SPEAR 照片

与 SPEAR 同时期还有德国 DESY 实验室的 DORIS。它于 1969 年开始建造，并于 1974 年首次运行，直到 1981 年。DORIS 采用了双环设计，其周长为 289 m [17]，最初质心最高能量为 7 GeV [18]（http://www.sciencephoto.com/media/502/view）。1982 年升级为 DORIS-II 后，质心最高对撞能力可达到 11 GeV，其亮度为 3 × 10³¹ cm^-2 s^-1 [19]（http://doris.desy.de/reports/index_eng.html），如图5(a)所示 [20]。DORIS 的突出贡献之一是 B 介子振荡 [21]。

图5：（网络版彩色）DORIS (a) [20] 和 VEPP-IV (b) [27] 布局图

这一时期还有新西伯利亚的 VEPP-III，由 INP 实验室于 1967~1971 年建造，1973 年开始正式运行。其周长为 74 m，质心最高对撞能量为 4 GeV（http://v4.inp.nsk.su/vepp3/index.en.html）。在1986~1987年进行作为 VEPP-IV accelerating-storage complex 的前级增能装置，仍在运行。

VEPP-IV 是 BINP [22] 【注：由 Gersh Itskovich Budker 于 1959 年建立, 在 1977 年为了纪念 Academician Budker，改名为 BINP（Budker Institute of Nuclear Physics）】实验室在 VEPP-III 之后建造的又一台正负电子对撞机，于 1970 年开始建造，1978 年完成 [23]。采用了单环设计，其周长为 366 m，质心最高碰撞能量为 11 GeV [24, 25]。1979 年开始运行 [26]（http://v4.inp.nsk.su/vepp4/index.en.html），直到 1985 年。期间， 亮度可达到 5 × 10³⁰ cm^-2 s^-1 [23, 24]。随后， 被升级为 VEPP-4M。

与 VEPP-IV [27]能量类似的是美国的 CESR，如图5(b)所示。由康奈尔大学于 1977~1979 年建造，采用单环设计，建于原有同步辐射的隧道中 [28]。周长为 768 m，质心最高碰撞能量为 12 GeV [29, 30]（http://www.lepp.cornell.edu/Research/CESR/WebHome.html）。从 1979 年开始运行， 直到 2002 年 [31, 32]，其亮度可达到 1.28 × 10³³ cm^-2 s^-1 [30]。

PETRA 是 CESR 同期的由德国 DESY 实验室建造的正负电子对撞机，于 1975~1978 年建造（http://en.wikipedia.org/wiki/German_Electron_Synchrotron）。采用单环设计，周长为 2 km，质心最高对撞能量为 46 GeV，作为对撞机于 1978~1986 年运行，亮度可达到 2.4 × 10³¹ cm^-2 s^-1 [33]。其最显著的贡献之一是首次发现了胶子存在的证据 [34]（http://cerncourier.com/cws/article/cern/29201）。图6为 PETRA 实验大厅的照片（http://photon-science.desy.de/sites/site_photonscience/content/e58/e176720/e176739/e196575/e176741/PETRAIII_HAlle_eng.jpg）。

图6：（网络版彩色）PETRA 实验大厅的俯视照片

PEP 是这个时期另外一个正负电子对撞机，由美国 SLAC 于 1974~1980 年建造 [35~37]。采用了单环设计，周长为 2 km，质心最高对撞能量为 32 GeV，运行时间为 1980~1990 年，最高亮度可达到 6 × 10³¹ cm^-2 s^-1 [33]。

TRISTAN 是日本 KEK 于 1981~1986 年建造的正负电子对撞机 [38, 39]。采用单环设计，周长为 3 km，质心最高能量可达 63 GeV，为当时世界最高能量 [40]，于 1987~1995 年运行，最高亮度为 4 × 10³¹ cm^-2 s^-1 [33]。图7(a)为 TRISTAN 的平面图 [40]。

图7：TRISTAN (a) [40] 和 SLAC Linear Collider (b) [41] 的布局图

SLC 是美国 SLAC 的又一个正负电子对撞机，于 1983 开始建造，并于 1987 年完成 [41]。与以前加速器不同，SLC采用了直线设计，为世界上第一台直线对撞机，如图7(b)所示，全长 3.2 km，最高能量可以达到 100 GeV，运行时间为 1988~1998 年 [42]，最高亮度可达到 0.8 × 10³⁰ cm^-2 s^-1 [33]。

与 SLC 同期的还有欧洲 CERN 建造的 LEP，后升级为 LEP-II，是迄今为止世界上具有最高能量的正负电子对撞机。LEP 一期于 1983~1989 年建造 [43]，采用单环设计，周长为 27 km [44, 45]，其质心最高对撞能量为 91 GeV，于 1989~1998 年运行，最高亮度可达到 8.7 × 10³¹ cm^-2 s^-1 [33]。后于 1990~1999 年进行了陆续升级 [43]，升级为 LEP-II，质心最高对撞能量达到 209 GeV，亮度可达 1 × 10³² cm^-2 s^-1 [30, 44]，一直运行到 2000 年 [30]（http://delphiwww.cern.ch/offline/physics/pubdet2.html）。除了达到当时正负电子对撞机的最高能量，LEP 还精确测量出标准模型中 W 和 Z 玻色子（http://cerncourier.com/cws/article/cern/29076）。图8为 LEP 的平面布局图 [46]。

图8：LEP 布局图 [46]

20 世纪下半个世纪，正负电子对撞机得到了飞速的发展，从 1960 年 AdA 开始建造， 到 1990 年 LEP-II 的升级，经过 20 多年，质心最高碰撞能量从最初的 0.5 GeV 迅速提高到 209 GeV。粒子物理也得到了飞速的发展，除 Higgs 外，标准模型预言的其他所有粒子都被发现。但另一方面，对撞机的大小和成本也随之迅速增加，从 AdA 周长仅有 3 m，发展到 LEP 的周长为 27000 m，这也成为 1990 年后对撞机发展速度减缓的一个原因 [47]。其发展过程如图9所示 [1]，具体参数见表S1。

图9：（网络版彩色）世界对撞机的发展 [1]

2 几种未来能量前沿正负电子对撞机

经过近 40 年的高速发展，从 20 世纪 90 年代开始，能量前沿正负电子加速器进入一个发展相对缓慢的时间。取而代之的是，CERN 在 LEP 隧道的基础上，建造了目前世界上最大的质子对撞机 LHC，并于 2012 年发现了标准模型中最后一个、也是最为重要粒子之一的“上帝粒子”，Higgs，成为物理学史上的一个里程碑，也成就了粒子物理学中的第 20 个诺贝尔物理学奖。但如前所述，由于 LHC 为质子加速器，存在着局限性，对于 Higgs 粒子的一些重要性质无法精确测量，需要更精准的探测手段进行补充。因此，国际上多种方案被提出。

2.1 国际直线对撞机 ILC

国际直线对撞机 ILC（International Linear Collider）是由国际未来加速器委员会发起的一项大规模的国际合作计划项目。

ILC 将建造在总长约 30 km 的地下隧道里，由 2 个 11.3 km 长的直线加速器分别将正负电子加速到 250 或 500 GeV 的能量实行碰撞 ，质心系能量达到 500 GeV 或者到 1 TeV。ILC 基于 1.3 GHz 射频超导加速技术，整体示意图如图10(a)所示。

经过全世界 300 多个研究机构，1600 多名科研人员的努力，ILC 已于 2013 年 6 月正式发布了技术设计报告 [48]。目前，日本正在积极争取作为 ILC 的承建国，并已进行了 ILC 候选地点的地址勘探等工作。

图10：（网络版彩色）ILC (a) [48] 和 CLIC (b) [49] 的总体示意图

2.2 紧凑型直线对撞机 CLIC

CLIC（Compact Linear Collider）是由 CERN 主导设计的紧凑型加速器，其能量范围在 0.5~5 TeV，机器优化主要集中在 3 TeV，由来自于 22 个国家 40 多个研究机构参与设计。采用双束加速方法，如图10(b)所示，由主束系统和驱动束系统 2 个部分组成 [49]。其中驱动束系统产生 12 GHz 的尾场，转换成高频功率，供主束系统对粒子进行加速 。该加速器设计总长 48.4 km。目前已完成了概念设计报告 [50, 47]。

2.3 正负电子对撞机 LEP3

在讨论 LHC 升级方案时，所提出的在现有隧道中与 LHC 并排架设新的加速器，用来进行正负电子束的碰撞试验。为了与先前 LEP，LEP-II 加以区别，被提议命名为 LEP3 [51]（http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/aug/06/physicists-unveil-plans-forlep3-collider-at-cern）。LEP3 将由 2 个独立的加速环构成，采用常温加速结构，拟用每束 120 GeV 的能量产生希格斯玻色子，质心能量为 240 GeV。LEP3 的建造将利用现有 LHC 的隧道及现有设施，因此将大大节约成本，这也是 LEP3 相对于 ILC，CLICK 等项目的优势之一。此外，LEP3 还将进一步推动当前高亮度技术的进步。

2.4 极高能大型正负电子对撞机 TLEP

对环形加速器而言，增加半径是提高能量的重要方法之一。如果想要超越 LEP3 的能量，就需一条新的隧道。因此，有人提出在日内瓦湖的下方开挖更大的，周长为 80~100 km 的新隧道，安装 1 个极高能量的正负电子对撞机，称为极高能大型强子对撞机 TLEP [52]。这台机器对撞质心能量可高达 350 GeV。图11(a)为 TLEP 选址及尺度示意图。

图11：（网络版彩色）TLEP 建造示意图 (a) [52] 及 CEPC 隧道长度及孔径大小比较示意图 [53] (b)。CEPC 背景为北京环路地图，仅用于尺寸参考并不代表实际位置

3 我国自主提出的正负电子对撞机CEPC

3.1 CEPC 简介

2012 年 9 月，在“第二届中国高能物理加速器物理战略发展研讨会”上，中国科学家提出了建造周长在 50~70 km环形加速器的建议。并在初步预研工作后，对该项目给出了较为全面的介绍 [53, 54]【注：承载梦想、引领未来的 CEPC。中国科学院高能物理研究所内部报告】。该项目一期工程为质心能量为 240 GeV 的高能正负电子对撞机 CEPC（Circular Electron Positron Collider），作为 Higgs 工厂，对 Higgs 的物理性质进行精细的研究。将来，可在同一隧道建造质心能量为 50~100 TeV 的强子对撞机 SPPC（Super Proton-Proton Collider）。按目前方案考虑，CEPC 周长约为 50 km， 根据其预研情况，最后可能达到 100 km。其规模要比 LHC（LEP）大将近 1 倍，如图11(b)所示。

除了地下隧道工程，地上也将建成包括一个面积约为 5000 亩的现代化实验园区，以及若干个百亩量级的实验分部。地下实验大厅和地表部分将通过若干直径为 20 m 左右的大型垂直孔道相连，以运送对撞机和探测器部件在隧道里安装。CEPC 地表部分除实验区、工作区外，还将建立伺服区，给 CEPC 项目的供电、冷却以及通风提供重要保障。CEPC 实验园区将可容纳数千或上万名科学家和工作人员，因此，园区将包括相应工作、生活和服务设施（办公、会议场所、食堂、招待所、医疗急救、消防抢险设施等）。

CEPC 建成后将成为加速器技术、探测技术和粒子物理的国际研究中心，形成一批多学科交叉研究的创新平台，成为培养高水平研究生与博士后教育的基地，也将聚集一批国内外高新技术企业。CEPC 研究中心采用国际一流科研机构的运作模式，与世界各国在科技合作、人才培养、科技交流、联合建立科研机构等方面展开实质性合作，最终成为一个国际科学城，促使我国科技水平进一步提高，使高能领域走在世界的前列。

目前，CEPC 前期预研工作已初步开展，如：50 km 加速器物理参数的初步优化 [55]，最终聚焦系统束流光学的研究等 [49, 50]。

3.2 对 CEPC 的评价

CEPC 的提出引起了国内外的巨大反响 [51]。2013 年 6 月 12~14 日，主题为“下一代高能正负电子对撞机：现状与对策”的香山科学会议第 464 次学术讨论会在北京香山饭店召开。来自全国 11 个单位的 35 位高能物理和加速器领域的专家学者应邀参加了会议， 与会专家围绕“下一代高能正负电子对撞机粒子物理理论”、“直线对撞机及 Higgs 工厂加速器”、“直线对撞机及 Higgs 工厂粒子物理实验和探测器”、“我国的下一代高能正负电子对撞机对策”等中心议题进行了深入交流与讨论。与会专家达成共识：“环形正负电子对撞机 Higgs 工厂(CEPC)+ 超级质子对撞机（SPPC）”是我国高能物理发展的重要选项和机遇，应立即组织队伍，开展方案设计，研究关键问题，探讨实现路径，尽快完成可行性研究报告。

2013 年 12 月 16~17 日，“未来高能物理环形对撞机国际研讨会（International Workshop on Future HighEnergy Circular Colliders）”在中国科学院高能物理研究所召开。2004 年诺贝尔物理学奖得主 David Gross 教授做了大会特邀报告，他高度评价了中国的 CEPC，认为这将毫无疑问地把中国高能物理研究推动到世界的领袖位置。未来高能环形对撞机将在 21 世纪的物理中起到至关重要的作用。

2013 年 12 月 Nature 杂志 2013 年度回顾专刊发表了以“粒子物理：共同走向下一个前沿（Particle physics: Together to the next frontier）”为题的评论文章。文中指出：“中国角色的改变增加悬念。中国在粒子物理学历史上是个小角色，它 2012 年在反应堆中微子物理学方面以令人印象深刻的成果走上了世界舞台……”。令人鼓舞的是，中国可能通过承建 100 TeV 的机器超越世界吗? 机器建设在中国是便宜的，尽管中国需要世界其他国家帮助设计和建造。如果中国真跑到了前头，随着新兴经济瞄准竞争，这将会改变世界科学的格局。

David Gross教授说：“我把这个梦想叫做‘中国的伟大加速器（The Great Accelerator）’，这会和万里长城（The Great Wall）一样引人瞩目。它会比万里长城的作用更大， 会在科学技术各领域有突破和发现。”

4 总结

从 20 世纪 60~90 年代，粒子物理在近半个世纪的时间得到了飞速的发展。期间，正负电子对撞机从最初的 0.5 GeV迅速提高到 209 GeV，规模也从桌面级的 3 m 周长增加到 27000 m。2012 年 7 月 Higgs 粒子的发现给粒子物理的研究与发展带来了又一次历史新契机。目前，国际对 ILC，CLIC，LEP3，TLEP 等多个未来正负电子对撞机方案进行深入研究，其中以 ILC 的项目立项成熟度为最高，建造时间表为最前。

为了抓住这次难得的历史发展机遇， 我国科学家也提出了自己的未来环形正负电子对撞机方案 CEPC，并可在 CEPC 隧道（50~100 km）的基础上升级为质心能量为 50~100 TeV 的超级质子-质子对撞机（SppC）。21 世纪的中国应该是世界上举足轻重的重要国家，建设一个以 CEPC+SppC 为龙头的国际科学城，使中国的基础物理学乃至科学走在世界前列，这是国家全面发展的一个难得的历史机遇和重要抓手，具有重大科学意义、技术意义和社会意义。

致谢 本文在撰写过程中，得到了中国科学院高能物理研究所的王毅伟、王逗、白莎、翟纪元、刘振超等人的支持和帮助，在此表示由衷的感谢！

参考文献 

请查看《科学通报》网页（可点击本文下方“阅读原文”）：

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/CSB/60/14/10.1360/N972014-00820?slug=abstract

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