下一代高能正负电子对撞机：现状与对策

下一代高能正负电子对撞机：现状与对策香山科学会议第464次学术讨论会综述粒子物理学（或称高能物理学）是研究“物质、能量、空间、时间”等自然界最基本问题的学科。粒子 物理标准模型的建立使得人类对构成物质世界的基本组成单元和相互作用的认识达到了空前的高 度，同时也有很多问题亟待解答。为了深入研究电弱对称性自发破缺机制和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本质，在大型强子对撞机（LHC） 成功运行后，人类还需要建造下一代正负电子对撞机，通过两种对撞机上探测结果的互补来发现和 确认新基本粒子及其性质、从而进一步揭示新物理定律。2012年7月4日，欧洲核子研究中心（CERN）宣布在LHC的ATLAS和CMS两个实验都观测到 了一个类Higgs玻色子的新粒子，质量在125GeV附近。这个粒子的发现对下一代正负电子对撞机 的设计和建造具有关键意义。利用质心系能量250GeV附近的正负电子对撞大量产生Higgs粒 子从 而精确测量其性质是下一代高能正负电子对撞机主要的科学目标之一。我国科学界和高能物理界一直 在关注LHC第一阶段运行后的高能量前沿的重要物理问题，以及国际上的直线对撞机和Higgs工厂 方案。普遍认为急需讨论和制定我国参与或承建下一代高能正负电子对撞机的战略对策和实施方案。2013年6月12日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。北京大学陈佳洱教授、赵光达教授、清华大学邙宇平教授、中 国科学院高能物理研究所方守贤研究员、陈和生研究员和王贻芳研究员担任会议执行主席。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也应邀参加了会议，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。一、主题评述报告与讨论中科院高能所王贻芳研究员在题为下一代高能正负电子对撞机”的主题评述报告中指出，自LHC的建 造确定以后，国际上就开始设想下一代高能正负电子对撞机。在国际未来加速器委员会（ICFA）及 其下属的各种委员会领导下，这台首次由全世界高能物理学家和加速器物理学家联合设计的“国际直 线对撞机（ILC） ”完成了其概念设计（CDR，2007年）、工程设计（TDR, 2013年）及造价估计。 由于2012年Higgs粒子的发现，国际上关于下一代高能正负电子对撞机的意见逐渐统一：先从250 GeV开始，再逐步发展到500 GeVo ICFA2012年全面改组了 ILC的领导机构，准备积极推动该设 施的建造。日本的高能物理学界提出要承建ILCo无论欧洲与美国政府最终会对ILC支持多少，其高 能物理学界始终对此努力支持，并积极参加各种ILC相关的组织和管理机构，其人数及话语权实际上 远超过日本人。以上情况反映出：1）高能量前沿是高能物理的最前沿，过去几十年最重要的发现主要来源于此；2）高能量前沿的加速器与探测器技术也是最前沿，对未来发展至关重要。因此尽管欧洲与美国由于经 费及其它问题不能承建ILC,但他们不能也不会缺席。我国过去由于各种原因，特别是由于ILC的前 景不明朗，政府投入几乎为零，高能物理学界也很少有人参与ILC的活动。这与我国的大国地位、 高能物理发展水平及其国际影响极不相称，也对我国高能物理的未来发展不利。最近几年，大家一 直呼吁改善这种状态，包括2006年召开的香山会议，但现状并未根本好转。2012年的国内ILC讨 论会形成一个共识：中国应该积极参加ILC，争取贡献5%左右，并争取在技术和人员上能真正实现 贡献5 %所需的必要前期R&D政府经费支持。事实上，国内一直有人提出承建ILC，但高能物理学 界的共识是：其造价和技术难度超过我们目前可以承受的程度。王贻芳研究员表示，2012年在讨论基于加速器的我国未来高能物理发展规划时，有人提出建造250 GeV环形正负电子对撞机（Circular Electron Positron Collider，CEPC）并适时将其改造为50 TeV 超级质子对撞机（Super Proton Proton Collider，SPPC），以使我国一步跨入世界最先进行列。特 别是未来的质子对撞机，将使我国的粒子物理远超国际上任何其他国家。虽然该设想面临的技术难 度与造价均比ILC低，但仍然面临巨大的困难，其可行性是本次会议我们要讨论的重要议题之一。国 际上也有人提出环形Higgs工厂的概念，并将其与ILC对立，宣称其优点远好于ILC。我们认为ILC 已经过多年研究，技术较为成熟，环形正负电子对撞机CEPC的提出时间很短，还需要做更多的研 究。事 实上，ILC与CEPC是很好的互补：1）技术上难点各有不同；2）可以去除ILC push-pull 的选择；3）物理成果互相检验。对中国来说，如果CEPC想得到国际支持，就需要我们首先支持ILCo 我们应该参与国际上ILC的预研 以掌握技术，并参与ILC建设以争取科学研究的话语权。我们也应 该探索在中国建设CEPC的可能性，并积极争取国内外的广泛支持，使我国的高能物理研究走到世 界最前列。与会专家指出，探索物质最深层次的结构和规律是重大的科学前沿问题。Higgs粒子是标准模型最重 要的粒子，对Higgs粒子性质的精确测量和寻找新粒子 具有全局性的意义。我国提出的环形Higgs 工厂（CEPC）及后续的超级质子对撞机（SPPC）的科学目标非常重要，是世界高能物理的制高点。 中国高能物理将由此打开一个全新的局面，站到世界最前列。CEPC-SPPC是我国未来高能物理发 展的很好的选择，相对别的选项意义更为重大。但是，CEPC的造价很高，三百亿的项目国家不一 定能批准。如果实在困难，可以考虑规模相对小一些的项目，使中国高能物理能持续得到发展。我国 应把研究力量组织好，同时把Higgs工厂和寻找新的重粒子的两方面研究都做好，争取在两方面都 有所作为。CEPC既可作为Higgs工厂（与ILC 一样）对125 GeV的共振做精确测量，又可以在做 完精确测量后改为50 TeV的质子对撞机，在寻找新的重粒子方面优于升级以后的LHC，将在高能研 究最前沿研究中领先，这是CEPC-SPPC的重要优势。CEPC是我国高能物理界的一个梦想，若能实现，会使中国高能物理实验研究跨越发展。但因为要建 设一个规模是CERN两到三倍的高能物理中心，建设和运行经费非常巨大，必须需要深入研究它的 科学目标和技术可行性和造价，决策要十分谨慎。应该看到CEPC与ILC比的局限性，它的周长决 定了其最高质心系能 量。例如，选择50公里周长，就难以研究质量超过125GeV的新粒子。如果 将来在LHC发现超过这个能标的新物理，它就可能很被动。此前的LEP和Tristan就是教训。CEPC 是重要的跨越，建成后确能使我国的高能物理迈向世界领先行列，但它的规摸很大，难度不小，它的 实现，首先需要高层决策和科技界共识。从总体上看，CEPC虽相对ILC有很多优点，但目前它的 设计还很初步，到技术设计尚需要相当长的时间，需要充分估计和进一步暴露它的物理问题和技术难度，如同步辐射功率、束流极化等，对CEPC造价和运行费的估计也需进一步细化。也有专家指 出，近期我国物理研究做出的很多很好的工作都不是在 高能物理领域，国家不一定非要投几百个亿 建对撞机发现一个新粒子，拿一个诺贝尔奖。项目要考虑国家的可承受能力，国际合作要考虑国内发 展，在国内要做出有特点的工作，与国家需求相结合，才可能得到国家的支持。超导加速器技术的 发展也不一定非要高能物理来推动，可以通过别的项目来推动。别的大型国际合作的科 学意义也不 一定比高能对撞机小。另外随着新的加速原理和技术的进步，未来的高能对撞机的规模和造价可能要 小得多，性价比提高很多，可操作性会好一些。二、粒子物理能量前沿现状与展望国际粒子物理界有一个共识，认为标准模型还存在许多不足之处，它不会是最终的理论，探索能更好 反映自然界的超出标准模型的新物理是粒子物理研究的主要方 向。现在LHC已发现一个125 GeV Higgs共振态，下一步需要仔细测量它与各种粒子的耦合以判断它究竟是标准模型的Higgs （意味着 验证了标准模型）还是标准模型以外的Higgs （意味着发现了新物理），这是个非常关键的问题。 普遍认为单凭LHC的实验是难以做出明确的结论的，还需要建造正负电子对撞的Higgs工厂来做精 确测量，例如ILC和我国提出的CEPC。此外，进一步在高能对撞机（14 TeV的LHC及更高能量的 强子对撞机）上探索新的重粒子也是认识自然界规律的很重要的方面，与国际各对撞机相比，我国在 CEPC之后改成的SPPC在这 方面有巨大优势。粒子物理理论目前存在很多未解决的问题，需要认 真考虑新的加速器寻找新物理的能标，如质子对撞机能升级到质心能量80-100TeV。海 量产生Higgs 粒子的Higgs工厂将与以往的粒子工厂完全不同，它将以标量粒子为基础来研究费米子和规范粒子， 研究他们的相互作用、CP破坏并提供发 现新物理的窗口，物理意义更大。三、直线对撞机及Higgs工厂加速器研究现状未来能量前沿正负电子对撞机现有三种设计：国际直线对撞机（ILC），紧凑型直线对撞机（CLIC） 及环形Higgs工厂。目前ILC是最成熟的，其技术 设计已完成，技术预研已进行了十多年，取得了 巨大的进步。CLIC目前尚处于概念设计阶段，已完成了概念设计，但总体来说技术尚不成熟，一般 认为应该是ILC以后的机器。2012年Higgs粒子发现后，国际上提出可以建造周长为30-80公里的 环形正负电子对撞机Higgs工厂。我国科学家王贻芳研究 员于2012年9月提出可以利用50-70km 环型正负电子对撞机Higgs工厂的隧道将来改建为质心能量50-70TeV质子-质子对撞机，大大超过 CERN现有的大型强子对撞机LHC。该设想的技术相对ILC来说较成熟，造价相对较低，未来发展 潜力巨大，该路径有潜力使中国高能物理研究在未来几十年走到世界前列。目前国内外有许多研究 与设计，但还需要较多的时间完成细致的机器优化设计工作。与会专家比较了国际上各种Higgs工厂 加速器的特点，介绍了中国环形正负电子对撞机Higgs工厂（CEPC）加速器的设计，并对于未来中 国环形正负电子对撞Higgs工厂（CEPC）及未来可能的质子-质子对撞机（SPPC）介绍了我国加 速器设计团队提出的初步设计方案，同时结合现有方案给出了初步造价估算。四、直线对撞机及Higgs工厂粒子物理实验和探测器研究现状Higgs-工厂（运行在250GeV处的正负电子对撞机）可以胜任对Higgs粒子大部分重要性质的研究， 在下一代正负电子对撞机上还可以开展很多通过精确检验标准模型来探索新物理的研究。国际上对 此专门成立两个实验合作组：ILD、SiD。CLIC和ILC将在探测器的研制上加强合作。国内的高能粒 子探测器研发能力经过了北京谱仪、大亚湾中微子等大型前沿实验的磨练，已经具备了一定的规模 和经验。对应于中国下一代能量前沿的高能粒子对撞机实验，我们还缺少一些先进探测器技术和操 作经验。这些关键的技术包括抗辐照半导体径迹探测器和相关的电子学、数字化径迹量能器、智能触 发器等。五、我国的下一代高能正负电子对撞机对策未来高能物理加速器前沿装置无论建造地在国内还是在国外，其技术水平和技术难度都具有国际高 度，国际合作不可避免。只有积极参与到国际高能物理加速器国际合作，并做出应有的贡献，以我 为主的先进加速器项目才能得到国际高能界的全力配合与支持，我国高能物理队伍水平才能真正提高 和不断壮大，中国高能物理的未来道路才能越走越宽。超级Z-工厂能够为实验精确研究Z-玻色子性 质，寻找Z-玻色子衰变的稀有过程，把检验标准模型和发现标准模型之外的“新物理”线索或限制特 定新物理”的实验研究提高到其它设备达不到的全新水平。超级Z-工厂应该是我国未来（BEPCII之 后）高能加速器物理实验研究需要认真思考和最后做出决定的不多的选项。与会专家认为，CEPC 是国际的热点、正确的方向、难得的机遇，但规模庞大、任务艰巨。需要把现在的BEPCII运行好、把 工作做细、加强管理、继续提高亮度，培养和传承队伍，提升队伍的自信心和外界对我们的信心， 在这基础上才能走远。六、小结与建议与会专家在充分交流与讨论的基础上，形成如下基本共识和建议：1. 高能量是粒子物理发展的最前沿，下一代高能正负电子对撞机是大型强子对撞机（LHC ）运 行以后的自然选择。2. 国际直线对撞机（ILC）经过二十多年的准备，已完成技术设计（TDR），建设前的各项准备 工作已基本成熟，我国应积极参与ILC的预研与建造。1）日本高能物理学界正在积极努力，提出承建ILC，并提供50%的经费，推动日本政府同意将 其在日本付诸实施。2）欧洲高能物理学界刚刚完成其战略规划（Roadmap），提出如果日本承建ILC，欧洲将积极 推动并参加。3）美国正在进行高能物理新的五年规划的制定，其政府部门正与日本密切接触，最终结果2013 年底前将会揭晓。4）由于其科学上的重要意义及技术上的重要性，我国不应该缺席ILC。参加ILC是我国作为世 界大国的责任，反映我国在高能物理领域的地位，也是吸引国外科学家参加国内未来重大项目的需要。5）中国科学家应积极参与ILC未来的建设与管理，并希望我国政府以实物方式贡献约5%,这 是作为重要参加国的必要条件。6）希望国家尽快落实对ILC预研经费的支持。同时应适时启动参加ILC项目的论证工作。7）应该适度参加各种未来加速器的预研，跟踪国际发展，积累相关技术。3.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。1）中国应该建立和保持自己的大型高能加速器研究基地，成为重要的国际科学研究中心之一。2）在Higgs粒子发现之际，作为BEPCII之后的下一代加速器，在中国建造一个环形正负电子 对撞机Higgs工厂是我国高能物理发展的一个重大历史机遇。该加速器可以仔细研究Higgs粒子性质, 寻找新物理迹象，也可以降低能量作为Z-工厂运行。3）该高能正负电子对撞机科学目标极为重要，未来发展潜力巨大，可以在同一隧道内实现如pp （质子-质子）、AA （重离子-重离子）、eA （电子-重离 子）、ep （电子-质子）等的对撞，使我国在未来的几十年内保持先进，成为国际主要的高能物理研究中心之一。4)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。