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环形正负电子对撞机加速器关键技术概念设计,1 粒子物理和标准模型

发布时间:2020-05-06 02:49编辑:公告浏览(51)

    环形正负电子对撞机概念设计报告于2018年11月对外发布。 环形正负电子对撞机进入了加速器技术概念设计报告阶段。近期,正负电子对撞机(CEPC)加速器系统多项关键部件的物理设计召开相关评审会并通过评审。评审专家来自全国相关科研单位及大学。目前“环形正负电子对撞机加速器关键技术概念设计”已通过7项评审会。   一、650MHz超导高频硬件设计评审会;  二、CEPC高阶模耦合器设计国际评审会;  三、CEPC主环双孔径二极磁铁和四极磁铁样机设计评审会;  以下评审会在2019年7月完成:=  四、CEPC正负电子束静电分离器样机设计方案评审会;  五、CEPC基于积分型放大电路的中子剂量探测器研制评审会;  六、CEPC 对撞区双孔径超导四极磁体QD0短样机物理设计评审会;  七、CEPC MDI远程真空连接方案设计评审会。  正负电子对撞机  是一个使正负电子产生对撞的设备,它将各种粒子(如质子、电子等)加速到极高的能量,然后使粒子轰击一固定靶。通过研究高能粒子与靶中粒子碰撞时产生的各种反应研究其反应的性质,发现新粒子、新现象。  加速器装置  是一种使带电粒子增加速度(动能)的装置。利用这种装置可以产生各种能量的电子、质子、氘核、α粒子以及其它一些重离子。  加速器可用于原子核实验、放射性医学、放射性化学、放射性同位素的制造、非破坏性探伤等。粒子增加的能量一般都在0.1兆电子伏以上。加速器的种类很多,有回旋加速器、直线加速器、静电加速器、粒子加速器、倍压加速器等。  我国加速器发展情况  我国加速器的发展始于50年代末期,先后研制和生产了高压倍加器、静电加速器、电子感应加速器、电子和质子直线加速器、回旋加速器.数年来更加先进的加速器在中国又取得重大进展,北京已建成正负电子对撞机,使中国加速器研制和应用进入了世界先进行列。 标签: 加速器

    13] Wang D L,Zhang Z,Zhang X P et al. First performance test of 30 mm iron-based superconductor single pancake coil under 24 T background field. Superconductor Science and Technology,2019,in press. https://doi.org/10.1088/1361-6668/ab09a4

    为了保持我国在国际高能物理领域的一席之地,中科院高能所原所长、中国科学院院士陈和生等科学家开始酝酿BEPC的升级计划。他们最终决定采用双存储环对撞方案,并建造与升级后对撞机亮度相匹配的新北京谱仪BESIII。

    光明日报北京11月15日电环形正负电子对撞机研究工作组14日在京正式发布CEPC的两卷《概念设计报告》,分别是《加速器卷》和《探测器和物理卷》。

    撰文 | 高杰

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    此后,原先的方案被修改为建造150亿电子伏质子同步加速器,却又受到苏联专家冷遇,苏联专家认为,中国只能在苏联原有的70亿电子伏加速器技术上加以修补。这种说法遭到了中国设计人员的抵制。

    《大型对撞机,美欧日如何取舍?》2016年09月14日 来源:文汇报

    5._CDR_Vol1_Accelerator.pdf

    CEPC 的对撞机和探测器系统均为涉及多种高精技术的复杂系统。CEPC 项目研究的核心之一就是多种关键技术的开发、验证、以及大规模工业量产。为了推动上述研究和工业化,在2017年11 月,CEPC 产业促进会于北京成立,目前已吸引了50 多家在业内领先的工业企业参加,其技术范围包括超导、微波、低温、精密仪器、控制、电子、芯片、真空、计算、土建等方面。CIPC 为CEPC的技术预研、关键部件和装备制造、产业化、建设以及推广应用提供了重要的支撑平台15]。同时,随着CEPC 项目研究的进一步深入,各子系统技术指标的进一步深化细化,CEPC 产业促进会的规模和影响力还将进一步提升。

    在国家的大力支持下,我们制订了中国高能物理发展战略,依靠全所同事的齐心努力,实现了BEPC到BEPCII的发展。陈和生说。

    国际未来加速器委员会和亚洲未来加速器委员会主席、墨尔本大学教授乔福瑞·泰勒评价:“这是CEPC这样一个用于基础研究的大型科学装置的重要发展里程碑”,“毫无疑问,国际高能物理界非常希望参加CEPC的研发和将来的科学实验,这将会大大促进对物质最基本组成单元的进一步理解。”

    2.何先生提到“赵午教授对CEPC型的对撞机的构想和设计,提出一个重大的质疑。这就是一个目标能量为CEPC式的对撞机比SPPC式的对撞机小很多很多倍的设计方案里,却使用了同样周长的大圆圈。这在CEPC的设计中,完全是大浪费!”但事实上,CEPC这类的正负电子对撞机与SppC这样的质子对撞机完全不同,一个追求亮度,一个追求能量,但这两个追求都需要周长。CEPC团队的优化设计结果表明:周长越长,亮度越高,亮度与周长的平方根成正比。周长越长,造价越高,但也不完全是线性的,加速器的注入器、超导高频腔、微波功率源、低温及探测器等都不随周长变化。因此最佳性价比的周长应该是单个希格斯粒子的价格最低。考虑到加速器建造费用、探测器建造费用,以及后期的运行费用,100km周长是最佳选择,与是否建造SPPC无关。

    3 概念设计报告:CEPC 离我们有多远?

    基本方案是在2022年到2028年建成电子对撞机CEPC,使它成为一个周长100公里的希格斯工厂,加速能量达到2400亿电子伏;2035年至2042年,同一隧道可以考虑二期升级,将CEPC升级为质子对撞机,能量达到100万亿电子伏。王贻芳说。

    作为中科院高能物理所所长,王贻芳是大型环形正负电子对撞机的主要提出者和推动者。当国内还在质疑这样的大型环形对撞机在科学上是否必要、300亿元的预算是否太高、工程的技术方案是否可行时,欧洲核子研究中心在春节前夕公布了他们的未来环形对撞机的《概念设计报告》,计划投巨资分两步建设下一代的超级对撞机。

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    12]

    1960年5月,中国科学家完成了螺旋线回旋加速器的初步设计,可当时国内遭遇经济困难,方案在三年后就被取消。

    对比中欧方案,可以发现,欧核的FCC与中国的CEPC大同小异:都是周长100公里,都走先电子对撞后质子加速的技术路线。当然,两者的造价不一样,中国的全部费用约为欧核费用的一半左右。中国CEPC的一期工程计划2030年完成,二期工程计划2040年完成;而欧核的FCC一期工程计划在2040年前后完成,二期计划能在2050年代后期投入使用。前后相差基本都是10年。

    5.CEPC的设计是优化过的,也经过了国际专家委员会的评审,并没有为SPPC花了额外的经费。如果何先生或者赵午先生具体指出上述《CEPC概念设计报告》不合理或者没有优化之处并给出具体建议,我们愿意认真听取并合理采纳。赵午先生是加速器理论专家,建议在认真阅读《CEPC概念设计报告》的基础上,发表更专业的意见。

    本文经中国物理学会期刊网微信公众号授权转载

    今年9月,CEPC物理与探测器概念设计报告国际评审会召开,标志着CEPC设计工作进入新阶段

    在SSC项目选址地得克萨斯州爱丽丝,已建成的22.5公里的地下隧道被弃。美国物理学会会士韩涛对新华社记者说:“宣布终止SSC让高能物理研究的中心从美国移到欧洲。”SSC对撞能量达40TeV。然而该项目经过几年建设,在完成了约20%、花掉了20亿美元后于1993年被美国国会取消。

    4.CEPC accelerator to European Strategy Input: ArXiv: 1901.03169

    图6 2013 年CEPC—SPPC项目启动会合影

    对撞机的建造和升级

    《大型环形对撞机:中国CEPC“对撞”欧洲FCC》2019年02月15日 来源:科技日报

    高杰,中国科学院高能物理研究所研究员,长期从事高能正负电子对撞机加速器物理与设计方面的研究工作,目前任CEPC机构委员会副主席,CEPC-SppC加速器负责人,亚洲直线对撞机指导委员会主席,国际未来加速器委员会直线对撞机理事会理事。

    由我国高能物理学界倡导的CEPC 项目拥有巨大的物理潜力。它是高精度的Higgs 粒子工厂,其预期精度超过高亮度LHC 的极限精度达一个量级;在电弱精密测量方面,CEPC 的预期精度将超过现有水平一个量级以上。同时,CEPC 可通过味物理和QCD 精确测量对标准模型进行全面、细致的验证。CEPC 的后续升级——超级质子对撞机,可以在比LHC高一个量级的质心能量下,对超出标准模型的新物理现象进行直接探索。因其在科学上的巨大意义,CEPC 项目得到了国内外高能物理学家的高度赞赏、积极参与和大力支持。

    长期积累的大科学装置研制、运营经验,也让高能所成了大科学装置的聚宝盆。这些年,高能所建成了大亚湾反应堆中微子实验项目、中国散裂中子源等平台,已经开始或即将建设江门中微子实验、高海拔宇宙线观测站、 阿里原初引力波实验观测站、高能同步辐射光源等大科学装置。

    此次公布的欧核方案进一步验证了中国方案的可行性。中国的CEPC计划在国际上首先提出了先电子对撞再过渡到质子对撞这一大型环形对撞机的方案。但这一路径当时并没有得到全球科学家,特别是欧核的认同。“2012年之前,高能物理学家都认为高能加速器未来的发展趋势是直线对撞机,我们提出建设环形对撞机以后,在欧核内部引发了激烈辩论,最后他们才决定把环形对撞机作为发展超级对撞机的参考。”王贻芳说,欧核最初选择的路径是质子对撞机,而不是作为第一步的电子对撞机。

    具体说来,自2012年9月CEPC的想法被提出后,CEPC团队先后完成了《CEPC-SppC预概念设计报告》、《CEPC-SppC进展报告》和《CEPC概念设计报告》。我们曾经公布过50km周长方案,造价255亿,亮度是100km周长方案的2/3。大家都会算,只从造价上考虑,这个方案的希格斯粒子单价高于360亿的100km周长方案。再考虑运行费的话,单价就更高了。具体的优化细节可以参考CEPC团队于2018年发表的有全球25个国家1100多名科学家署名的CEPC概念设计报告及其它相关参考文献。

    4 CEPC 对高精尖技术的依赖和推动

    中国要用四年多时间建成正负电子对撞机的消息很快传遍全球,连加速器都没做过的中国,竟然要一步登顶造出一台对撞机。

    尽管CEPC还未通过国家立项,但CEPC团队希望能够在“十四五”期间开始建设,并于2030年前竣工。王贻芳说:“CEPC初步实验计划是在质心能量240GeV处运行7年来研究希格斯玻色子,随后2年在91GeV处运行用来研究Z玻色子和重味物理,另外计划一年时间在160GeV附近研究W玻色子物理。CEPC未来可能发展方向之一是升级为一个超级质子、质子对撞机,质心能量将达到100TeV,可以在大范围内直接寻找新的物理现象和物理规律。”

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    2] Akani-Hamed N. Presentation at the CEPC workshop,Nov 2018,IHEP,Beijing. 报告题目:Why is the Higgs special?

    当时BEPCII的竞争对手美国康奈尔大学CESR-c项目的负责人赖斯教授也表示:我们期待来自BESIII的一系列重要的物理发现。

    “但在任何关于新对撞机的决定敲定前,我们需要积累更多来自LHC的结果,这些结果将决定未来选择的方向,”马尔索利耶说。今年8月5日,CERN在美国芝加哥召开的国际高能物理大会上宣布,去年12月LHC疑似发现比希格斯玻色子更重粒子的迹象只是实验数据失误。这令物理学家们极为失望,也让能否发现超越“标准模型”的新物理的前景更加不明。为此,CERN正在研究“多种选择”。

    事实上,ILC采用全超导技术,相比基于常规磁铁技术的CEPC来说每米造价要贵得多。目前的250GeV方案长度为21km,比CEPC 100km的造价还略高一点;同时ILC亮度比CEPC低3倍,对撞点只有一个,因此单位时间获得的希格斯粒子数比CEPC少6倍,单位时间获得的Z粒子比CEPC少两个数量级以上。显然CEPC是一个比ILC性价比高得多的机器,不知何先生的结论从何而来,有何事实依据?事实上,何小刚发表在《知识分子》2017年1月31日的《评何祚庥院士对中国建设大型对撞机的意见》一文中就已经指出何先生的这个错误,但遗憾的是,何先生继续坚持这种错误说法,不知是忘了“没有调查就没有发言权”、还是明知故犯,或者别有用心?

    为精确测量Higgs 粒子性质,我们需要Higgs粒子工厂。发现了Higgs 粒子的大型强子对撞机本身就是强有力的Higgs 粒子工厂。时至今日,LHC已生产了数以千万计的Higgs 粒子,而其高亮度升级计划则将带来数以亿计的Higgs 粒子。另一方面,由于LHC的对撞粒子——质子参与强相互作用,质子—质子的反应截面非常大,这意味着LHC上的本底噪声水平非常高。事实上,在100 亿个质子—质子的对撞事例中只能产生一个Higgs 粒子。极高的本底水平导致LHC上产生的99%以上的Higgs 粒子事例无法被甄别记录。同时,在标准模型看来,质子并不是基本粒子,而是由夸克—胶子等成分组成的复杂系统,这意味着对撞的初态难以准确确定,也意味着难以控制的理论误差。这些不利因素,使得LHC难以进行Higgs 粒子性质的精确测量。模拟研究表明,在高亮度升级的情况下,LHC可将Higgs 粒子性质测量测到5%—10%的极限相对精度。通过LHC上已经产生的Higgs 粒子事例,人们初步确定Higgs 粒子的性质基本同标准模型预言相吻合。这也意味着,我们需要在更高的精确度下对Higgs 粒子性质进行测量。

    在前苏联专家的指导下,中国在1958年就已设计出了20亿电子伏电子同步加速器。但在大跃进形势下,这一设计因保守落后被否。

    日本高能加速器研究机构(KEK)冈田安弘接受新华社专访时介绍,日本研究界一直在向政府建议由日本主导国际直线对撞机(ILC)计划。

    4.何先生还提到CEPC“正负电子束在超导磁场的偏折下,还会引起多余的散焦效应,为补偿这类散焦效应,还要在电子的冷却上,再多花一笔钱”。事实是,CEPC采用传统常温磁铁进行偏转,不存在散焦也不存在运用电子束流冷却的概念。

    6] CEPC Preliminary Design Report,2015. http://cepc.ihep.ac.cn/preCDR/volume.html

    2004年初,BEPCII开工建设,2009年7月通过国家验收。这是中国高能物理实验研究的又一次重大飞跃,为中国在粲物理研究和轻子高能研究方面,继续在国际上居于领先地位打下了坚实的基础。李政道如是评价。

    《环形正负电子对撞机概念设计报告》2018年11月16日 来源:光明日报

    制版编辑 | 斯嘉丽

    摘要环形正负电子对撞机是中国高能物理学界提议建造的、下一代大型正负电子对撞机。CEPC不仅可作为Higgs粒子工厂而运行,也可产生海量的Z玻色子以及W玻色子,进而从Higgs物理、电弱精密测量、味物理和QCD等各个方面对粒子物理标准模型进行全面、细致的验证,并以此来揭示标准模型背后的物理规律。自倡议以来,我国高能物理学界对CEPC项目的物理潜力及其各项关键技术进行了积极的研究,并于2018年11月正式发布了CEPC的概念设计报告。这意味着CEPC项目的初步设计蓝图已经完成。文章在CEPC《概念设计报告》的基础上简介了其物理潜力及相关技术的研究进展。

    未来,我们的目标是成为国际一流的高能物理研究中心,成为大型综合性多学科研究基地。王贻芳说。

    美国超导超级加速器(SSC)建设项目在上世纪的“夭折”,是美国科学史上的伤心往事。美国从大型对撞机竞争中“出局”,此后也未就开建新一代大型对撞机有新规划。

    3.何先生提到CEPC需要“额外添加许多超导磁场的建设”,实际上CEPC是电子加速器,由于束流能量较低,对其偏转及聚焦磁铁的磁场强度都非常低,采用的是价格非常低廉的常规磁铁技术,仅在对撞点附近需要少量几块超导四极铁、超导六极铁和超导螺线管磁铁;这部分超导磁铁的造价不超过CEPC加速器总造价的千分之五,因此,根本不存在何先生所说的情况。

    图2 大型强子对撞机及其上的4个大型实验

    大科学装置的聚宝盆

    负责运营LHC的欧洲核子研究中心(CERN)发言人阿诺·马尔索利耶接受新华社记者专访时说,未来10年LHC将进行大规模升级,并运行至2035年,届时产生的对撞能量将是现在的数倍。此后,CERN计划建设对撞能量达100TeV的新一代环形 (质子)对撞机,轨道总长将达100公里。

    3.CEPC Accelerator CDR, 2018:arXiv:1809.00285

    4] The CLIC Collaboration. CLIC Conceptual design report,CERN- 2012-007

    2016年BEPCII对撞亮度达到改造前的100倍

    近日,关于中国是否应主导建设大型对撞机的问题成为科学界争论焦点。全球范围内,对于这样一种高投入设施,即使是经济富裕、重视科研的欧美和日本,也都慎之又慎。

    自12月以来,关于中国是否建巨型对撞机,又有至少三方参与到讨论,其中包括曾深度参与SSC计划的美国斯坦福教授赵午,CEPC项目的参与者中科院高能物理研究员研究员阮曼奇和徐庆金,以及曾参与过重大科学项目决策的中国科学院理论物理研究所研究员何祚庥。

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    精确测量出轻子质量

    经过5年多的研究,大家逐渐认识到,先电子后质子,无论从科学上还是从技术上,都是最可行的方案。欧核的FCC方案最终也选择了此路线。这从科学和技术两方面证明了中国CEPC设计方案的正确性。

    - 编者按 -

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    1984年10月7日,邓小平同志为北京正负电子对撞机奠基

    CEPC是由中国高能物理学家于2012年提出的一项大型国际合作项目,这一大型科学装置拟采用100公里周长的对撞机环形隧道,至少会有两台探测器同时进行科学实验。

    1.CEPC-SppC Pre-CDR, IHEP-CEPC-DR-2015-0。

    10] Brewster S. A bouquet of options: Higgs factory ideas blooms. Symmetry magazine,2012.

    工人们正在仔细安装电子直线加速器第一节加速管

    2012年,科学家宣布利用LHC发现了被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子,完成了粒子物理所谓的“标准模型”。然而,LHC目前已经达到其设计能量,要进一步寻找新粒子,需建设能量和精度更高的机器。

    考虑SPPC是为了留下将来发展的可能性,CEPC与SppC放置在同一隧道还将保留未来电子质子对撞的可能性。这些考虑都是为了不浪费这个隧道,而不会在现阶段加入SPPC的建设内容。我们一再申明SPPC的建设是有条件的。现阶段大家只应该考虑CEPC的科学目标及其造价、性价比。

    7]

    每一丝的质疑和压力,都推动着工程研制人员更加拼命。他们与时间和极限比拼,终于在1988年10月16日实现了正负电子束的首次对撞。

    当年美国物理学界分为两派,反对建设方主要担心对撞机挤占其他基础科学研究经费,影响力最大的声音来自诺贝尔奖得主菲利普·安德森。

    2.CEPC-SppC Progress Report, IHEP-CEPC-DR-2017-01,%20Report.pdf

    这些研究确立了我国在高场加速器磁体技术领域的国际先进地位13,14]。

    命途多舛的高能加速器方案走到了1981年。这一年,世界加速器已经发展了近半个世纪。这年5月,中科院高能所在国内外专家学者的建议和意见的基础上,提出了第八个方案建造加速能量为22亿电子伏的正负电子对撞机。

    去年11月14日,有上千名世界各国科学家参与的、用时6年的中国CEPC《概念设计报告》完成。

    今天,《知识分子》发表中国科学院高能物理研究所研究员高杰对何祚庥意见的回应。

    为了理解直线对撞机和环形对撞机的优缺点,我们需简单了解同步辐射这一物理现象。牛顿定律告诉我们,物体总是倾向于保持匀速直线运动状态;微观带电粒子运动状态的改变将导致同步辐射光子的发射。同步辐射功率同带电粒子的能量/静质量之比的四次方成正比,并反比于其轨道偏转的曲率半径的平方。由于电子是标准模型中最轻的带电粒子,这意味着环形轨道上的正负电子可产生功率巨大的同步辐射(在正负电子Higgs 工厂中的γ 因子可达近百万)。这一方面限制了环形正负电子对撞机的质心能量,另一方面,也使得各种基于正负电子加速器的同步辐射光源成为可能。为了控制同步辐射功率,我们可以建造大型环形对撞机(通过巨大的曲率半径来限制同步辐射功率),或者可以建造轨道曲率半径无穷大的直线对撞机,对应着上文提到的两大类正负电子Higgs工厂。

    正如李政道先生和赖斯教授期待的那样,BEPCII和BESIII带来了让世界瞩目的成果。

    日本已经完成了下一代大型对撞机的初步工程设计,并得到美国能源部和CERN的支持。与欧洲不同,日本选择建设更加“经济实用”的直线对撞机。

    子菜单栏:前沿争论️大型对撞机争议

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