2012年7月“上帝粒子”Higgs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。为了对新发现的希格斯玻色子进行精确测量并探索标准模型之外的新物理，目前全球高能物理界正在积极推动下一代高能正负电子对撞机的预研工作,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——

正负电子对撞机加速器的发展

国际上首台正负电子对撞机AdA，是以后正负电子储存环的最初原型，通过它首次观测到了正负电子对撞

20世纪下半个世纪, 正负电子对撞机得到了飞速发展, 从1960年国际上第一台正负电子对撞机AdA(Anello Di Accumulazione)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,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。

世界对撞机的发展

几种未来能量前沿正负电子对撞机

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重要粒子——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LHC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，国际上提出了多种方案：

➜国际直线对撞机ILC

这是由国际未来加速器委员会发起的一项大规模国际合作计划项目，经全世界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，日本正在积极争取作为其承建国。

➜紧凑型直线对撞机CLIC

CLIC是由CERN主导设计的紧凑型加速器,由来自于22个国家40多个研究机构参与设计。该加速器设计总长48.4 km，目前已完成了概念设计报告。

ILC (a)和CLIC (b)的总体示意图

➜正负电子对撞机LEP3

这是在讨论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。由于可利用现有LHC的隧道及现有设施，因此将大大节约成本, 还将进一步推动当前高亮度技术的进步。

➜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。

我国自主提出的正负电子对撞机CEPC

在2012年9月的 “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。该项目一期工程为建造质心能量为240 GeV的高能正负电子对撞机（CEPC） 作为Higgs工厂, 对Higgs的物理性质进行精细研究。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）。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。

TLEP建造示意图(a)及CEPC隧道长度及孔径大小比较示意图(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

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。

目前, CEPC前期预研工作已取得重要进展，2014年底完成CEPC-SPPC初步概念设计报告，并于2015年3月完成了初步概念设计报告的国际评审。该设计工作由来自9个国家57个科研机构的研究人员参与，国内高能所、清华大学、北京大学、上海交通大学、中国科技大学等35个科研机构包括其中。世界各地463名科学家、研究生在CEPC网站注册签名参与并支持这一工作。

>>>>对CEPC的评价

CEPC的提出引起了国内外的巨大反响。2013年6月的香山科学会议上与会专家达成共识: “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。

Nature杂志2013年度回顾专刊发表评论文章指出: “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”。

2004年诺贝尔物理学奖得主David Gross教授高度评价了中国的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。David Gross教授说: “我把这个梦想叫做‘中国的伟大加速器’, 这会和万里长城一样引人瞩目。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。”

[本文摘编自《科学通报》2015年第14期特邀评述“能量前沿正负电子对撞机的研究进展”，作者高杰、靳松。刊物网站可免费阅读原文]

《中国科学》杂志社微信公众号

关注请加：scichina1950   中国科学杂志社   或扫描二维码：