Microsoft Word - N 作者校样.doc

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft Word - N 作者校样.doc"

保纹消艾
5 years ago
Views:

特邀评述 2015 年第 60 卷第 14 期 :1251 ~ 1260 www.scichina.com csb.scichina.com 中国科学杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 能量前沿正负电子对撞机的研究进展 * 高杰, 靳松中国科学院高能物理研究所, 北京 100049 * 联系人, E-mail: jinsong@ihep.ac.

1 特邀评述 2015 年第 60 卷第 14 期 :1251 ~ csb.scichina.com 中国科学杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 能量前沿正负电子对撞机的研究进展 * 高杰, 靳松中国科学院高能物理研究所, 北京 * 联系人, jinsong@ihep.ac.cn 收稿, 接受, 网络版发表国家自然科学基金 ( ) 资助摘要欧洲核子研究中心在 2012 年发现了希格斯玻色子, 成为物理学史上一个新里程碑. 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, 以便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. 本文简要回顾了历史上能量前沿正负电子对撞机的发展历程及其作用, 包括历史上第一台正负电子对撞机 AdA 的诞生, 在 AdA 基础上诞生的 ACO, VEPP-II, ADONE, 以及后来的 SPEAR, DORIS, CESR, TRISTAN, 再到至今为止最大的环形正负电子对撞机 LEP 等能量前沿正负电子对撞机 ; 并进一步介绍了目前国际高能物理界正在预研的未来正负电子对撞机的几种设计方案, 如 ILC, CLIC, TLEP 等, 其中包括我国自主提出的下一代环型正负电子对撞机 CEPC. 关键词加速器正负电子对撞机希格斯玻色子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 E 2 E E, cm 0 即大部分能量浪费在对撞粒子及其产物的动能上. 式中, E 0 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]. 引用格式 : 高杰, 靳松. 能量前沿正负电子对撞机的研究进展. 科学通报, 2015, 60: Gao J, Jin S. Review of electron-positron colliders at the high-energy frontier (in Chinese). Chin Sci Bull, 2015, 60: , doi: /N

2015 年 5 月第 60 卷第 14 期 2012 年 7 月, 欧洲核子研究中心 (Conseil Eu- 对如何确认正负电子束相互碰撞等, 这些非常重要 ropéenne pour la Recherche Nucléaire, CERN)发现的问题的研究在AdA上得到开展.

然而, 由于大型强子对撞机可以说AdA是以后正负电子储存环的最初原型, 尤 (Large Hadron Collider, LHC)为质子-质子对撞机, 而其对以后ACO和ADONE的建造, 起到了非常重要的质子不是基本粒子, 它包含夸克胶子等多种基本粒作用.

而这种新工具的重要性首先被西欧和前苏联人于粒子物理学来说, 又一次迎来了新的机遇. 本文简认识到. 因此, 随后Novosibirsk的VEPP-II, Orsay的介了历史上的能量前沿正负电子对撞机和目前国际 ACO以及Frascati的ADONE, 均以更为合理的设计很上提出的未来正负电子对撞机的几种方案, 其中包快先后获得批准并被建造.

它于1963年开始建造, 提起正负电子对撞机, 首先, 不得不从AdA 采用单环设计, 全长11.3 m, 质心最高对撞能量为 (Anello Di Accumulazione)开始谈起. AdA是国际上 1.

2 2015 年 5 月第 60 卷第 14 期 2012 年 7 月, 欧洲核子研究中心 (Conseil Eu- 对如何确认正负电子束相互碰撞等, 这些非常重要 ropéenne pour la Recherche Nucléaire, CERN)发现的问题的研究在AdA上得到开展. 在AdA上, 正负电子希格斯玻色子(Higgs, 通称上帝粒子 ), 受到全球高对撞首次被观测到, Touschek效应 [7]于1963年被发现. 能物理学界的广泛关注. 然而, 由于大型强子对撞机可以说AdA是以后正负电子储存环的最初原型, 尤 (Large Hadron Collider, LHC)为质子-质子对撞机, 而其对以后ACO和ADONE的建造, 起到了非常重要的质子不是基本粒子, 它包含夸克胶子等多种基本粒作用. 子, 对撞反应的初始条件及生成结果异常复杂, 因 AdA的成功建造是对正负电子对撞机概念的首此, 对于希格斯粒子的一些重要性质, 例如质量耦次实物化, 也使那些对正负电子对撞机持有怀疑态合衰变等, 在LHC上无法得到精确的测量. 此外, 度的科学家认识到一些相关的问题并非是不能克服在标准模型之外, 还可能存在着新的物理. 因此, 对的 [4]. 而这种新工具的重要性首先被西欧和前苏联人于粒子物理学来说, 又一次迎来了新的机遇. 本文简认识到. 因此, 随后Novosibirsk的VEPP-II, Orsay的介了历史上的能量前沿正负电子对撞机和目前国际 ACO以及Frascati的ADONE, 均以更为合理的设计很上提出的未来正负电子对撞机的几种方案, 其中包快先后获得批准并被建造. 事实上, ACO和ADONE 括我国自主提出的环型正负电子对撞机 (Circular Electron Positron Collider, CEPC). 的建造正是围绕着AdA所呈现出的问题和限制而建 1 正负电子对撞机加速器的发展设的 [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, 提起正负电子对撞机, 首先, 不得不从AdA 采用单环设计, 全长11.3 m, 质心最高对撞能量为 (Anello Di Accumulazione)开始谈起. AdA是国际上 1.4 GeV, 并于1966年开始收集数据 [10], 1967年正式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图 1 在 1964 年拍摄的 AdA 照片[5] Figure 1 Photo of AdA in 1964[5] 1252 图 2 VEPP-II (a)[9]及 ACO 布局图(b)[11] Figure 2 Layout of VEPP-II (a)[9] and ACO (b)[11]

在VEPP-II的实并于1972年首次运行 [14](http://today.slac.stanford.edu/ 验中, 首次发现了正负电子对产生的双光子现象, 成 feature/2010/spear-20-years.asp).

它主要基于 AdA的不足而建造. 从1965年开始作为对撞机一直 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[6], 步辐射光源运行了15年, 并于2003年进行了进一步 2 的升级: SPEAR-III. 作为对撞机期间, SPEAR取得了周长约为 22 m [11], 束流亮度约为 6.

在ACO上, 螺线管型探测器首次得到应用 [13] 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.

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 [6] 可以达到3.0 GeV, 设计束流亮度为3 10 29 2 1 cm s.

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.

3 特邀评述用于正负电子实验, 直到1970年 [3,6,9]. 期间, VEPP-II 28 1 SPEAR是继ADONE之后, 又一台能量前沿正负 s, 主要用于测量ρ, ω, 电子对撞机, 由美国 SLAC 于 1970年 9月开始建造, φ 介子的参数以及衰败模式的研究. 在VEPP-II的实并于1972年首次运行 [14]( 验中, 首次发现了正负电子对产生的双光子现象, 成 feature/2010/spear-20-years.asp). 采用单环设计 [15], 的亮度达到了2 10 cm 2 为双光子物理的开始 [9]. 周长234 m, 质心最高对撞能量为5.2 GeV, 亮度为6 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 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], 服役到 1980年, 现在 ACO作为博物馆陈列在法国. 并于1975年开始运行, 直到1987年 [16]. 之后作为同仍然采用了单环的设计, 质心最高能量为1.0 GeV[6], 步辐射光源运行了15年, 并于2003年进行了进一步 2 的升级: SPEAR-III. 作为对撞机期间, SPEAR取得了周长约为 22 m [11], 束流亮度约为 cm, 重要的成果, 其中1976年ψ/J粒子的发现, 以及1975 ω 介子和 φ 介子首次被观测到. 布局图如图 2(b) 所年τ粒子的发现, 分别成就了1976和1995年的诺贝尔 s 1[12]. 在ACO上, 螺线管型探测器首次得到应用 [13] 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( 其目的是寻找更高能量段的物理, 质心最高对撞能量 [6] 可以达到3.0 GeV, 设计束流亮度为 cm s. 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. 它从物理学奖 [15]. 图4为SPEAR的俯视照片( irp/imint/doe_slac_spear_01.htm). 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]( 年升级为 DORIS-II后, 质心最高对撞能力可达到 11 GeV, 其亮度为 cm 2 s 1[19]( 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]. 1963年开始建造, 1969年开始运行直到1993年4月26 这一时期还有新西伯利亚的VEPP-III, 由INP实日, 一共运行了24年, 期间提供了约22000 h的碰撞验室于1967~1971年建造, 1973年开始正式运行. 其试验, 5300 h的单束运行. 关闭后, 被改造成为能量周长为74 m, 质心最高对撞能量为4 GeV( 更低亮度更高的对撞机DAFNE. inp.nsk.su/vepp3/index.en.html). 在1986~1987年进行图 3 ADONE 照片[4] Figure 3 Photo of ADONE[4] 图 4 SPEAR 照片 Figure 4 Photo of SPEAR 1253

2015 年 5 月第 60 卷第 14 期 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 2015 年 5 月第 60 卷第 14 期 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( 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 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]( com/cws/article/cern/29201). 图6为PETRA实验大厅的照片( /PETRAIII_HAlle_eng.jpg). 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 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 cm 2 s 1[33]. 图7(a)为TRISTAN的平面图 [40]. 图 5 (网络版彩色)DORIS (a)[20]和 VEPP-IV (b)[27]布局图 Figure 5 (Color online) Layout of DORIS (a)[20] and VEPP-IV (b)[27] 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作为VEPP-IV accelerating-storage complex的前级增撞机, 如图7(b)所示, 全长3.2 km, 最高能量可以达能装置, 仍在运行. 到100 GeV, 运行时间为1988~1998年 [42], 最高亮度 VEPP-IV是BINP[22]1)实验室在VEPP-III之后建造可达到 cm 2 s 1[33]. 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] 年开始运行 [26]( 直到 1985年. 期间, 亮度可达到 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]( 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 cm 2 s 1[30]. 图 6 (网络版彩色)PETRA 实验大厅的俯视照片 Figure 6 (Color online) Overlooked photo of PETRA laboratory 1) 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 1254

特邀评述图 7 TRISTAN (a) [40] 和 SLAC Linear Collider (b) [41] 的布局图 Figure 7 Layout of TRISTAN (a) [40] and SLAC linear collider (b) [41] 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.

5 特邀评述图 7 TRISTAN (a) [40] 和 SLAC Linear Collider (b) [41] 的布局图 Figure 7 Layout of TRISTAN (a) [40] and SLAC linear collider (b) [41] 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 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 cm 2 s 1[30,44], 一直运行到 2000 年 [30] ( 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 ( 图 8 为 LEP 的平面布局图 [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 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. [46] 图 8 LEP 布局图 Figure 8 Layout of LEP [46] 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 1255

2015 年 5 月第 60 卷第 14 期 [1] 图 9 ( 网络版彩色 ) 世界对撞机的发展 Figure 9 (Color online) Development of colliders in the world [1] 的探测手段进行补充. 因此, 国际上多种方案被提出. 2.

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. 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.

该加速器设计总长图 10 ( 网络版彩色 )ILC (a) [48] 和 CLIC (b) [49] 的总体示意图 Figure 10 (Color online) Layout of ILC (a) [48] and CLIC (b) [49] 48.4 km. 目前已完成了概念设计报告 [50,47]. 2.

6 2015 年 5 月第 60 卷第 14 期 [1] 图 9 ( 网络版彩色 ) 世界对撞机的发展 Figure 9 (Color online) Development of colliders in the world [1] 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. 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. 该加速器设计总长图 10 ( 网络版彩色 )ILC (a) [48] 和 CLIC (b) [49] 的总体示意图 Figure 10 (Color online) Layout of ILC (a) [48] and CLIC (b) [49] 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] ( 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. 1256

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.

7 特邀评述 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]2). 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] 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 Figure 11 (Color online) A possible implementation of TLEP (a) [52] and CEPC (b) 2). The background of CEPC is the road map of Beijing. It is just for the comparison of size of CEPC, but not for the real address 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 High Energy Circular Colliders) 在中国科学院高能物理研究所召开年诺贝尔物理学奖得主 David Gross 教 2) 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 1257

8 2015 年 5 月第 60 卷第 14 期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 m 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 1 Panofsky W K H. Evolution of particle accelerators. SLAC Beam Line, 1997, 27: Zhao J J, Yin Z J. Particle Accelerator Technology (in Chinese). Beijing: Higher Education Press, 2006 [ 赵籍九, 尹兆久. 粒子加速器技术. 北京 : 高等教育出版社, ] 3 Sessler A M. The development of colliders. LBNL-40116/CBP Note-208/UC-414, Bernardini C. AdA: The first electron-positron collider. Phys Persp, 2004, 6: Haissinski J. From ADA to ACO: Reminiscences of Bruno Touschek, LAL98-103, December Chao W A, Maury T. Handbook of Accelerator Physics and Engineering. 2nd ed. Singapore: World Scientific Publishing Co Pre Ltd, Bernardini C, Corazza G F, Guigno G D, et al. Lifetime and beam size in a storage ring. Phys Rev Lett, 1963, 10: Amman F. Electron positron storage rings: Status and present limitations. Nucl Sci, 1969, 16: Skrinsky A. Accelerator field development at Novosibirsk (history, status, prospects). In: Proceedings of the IEEE/APS PAC, 1995, 1: Auslander V L, Budker G I, Naumov A A, et al. Beginning of experiments at positron-electron Storage ring VEPP-2. Atomn Energy, 1966, 22: Guyon P M, Depautex C, Morel G. Design of a synchrotron radiation facility for Orsay s ACO storage ring: LURE. Rev Sci Instrum, 1976, 47: The Orsay Storage Ring Group. Status report on ACO. In: Proceedings of the 8th International Conference on High-Energy Accelerators, 1971,

9 特邀评述 13 Amman F. Electron and positron storage rings: Present situation and future prospects. In: The 8th International Conference on High Energy Accelerators, CERN, 1971, Feldman G J. Photon-photon collision experiments at SPEAR. SLAC-PUB-1303(E/I), September Stanford Synchrotron Radiation Laboratory. SPEAR 3 Design Report. SLAC-R-609, November Hettel P, Akre R, Allison S, et al. SPEAR 3 upgrade project: The final year. SLAC-PUB-9842, Voss G A. Report on DORIS. In: Proceedings of the 6th IEEE Particle Accelerator Conference, Mar 1975, Washington D C. IEEE Trans Nucl Sci, 1975, 22: DORIS Storage Ring Group. DORIS at 2 5 GeV. Nucl Sci, 1979, NS-26: Salvini G. Physics with matter-antimatter colliders. Phys Rep, 1988, 171: Criegee L, Knies G. e + e physics with the PLUTO detector. Phys Rep, 1982, 83: Browder T E, Honscheid K. B mesons. Prog Part Nucl Phys, 1995, 35: Skrinskii A N. Accelerator and detector prospects of elementary particle physic. Sov Phys Usp, 1982, 25: Bokov M, Burenkov D, Polyansky A, et al. Results of long-term observations of deformations of the VEPP-4 storage ring constructions, BINP. In: 1st FIG International Symposium on Engineering Surveys for Construction Works and Structural Engineering Nottingham, United Kingdom, Skrinsky A. The Novosibirsk electron-positron colliders: Status and prospects. Nucl Instr Methods Phys Res A, 1996, 379: Skrinsky A N. Accelerator activities at Budker Institute of Nuclear Physics. In: 17th International Conference on High-energy Accelerators, Dubna, Russian Federation, 7 12 September 1998, Skrinsky A. The new Novosibirsk colliders. In: 30th Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop on High Luminosity e + e Collisions, Stanford, Oct Goman E, Karnaev S, Plotnikova O, et al. The database of the VEPP-4 accelerating facility parameters. In: Proceedings of PCaPAC08, Ljubljana, Slovenia, MOW04, McDaniel B D. Report on CESR, the Cornell electron storage ring. In: Proceedings of the 1979 International Symposium on Lepton and Photon Interactions at High Energies, August, Tigner M. CESR An electron positron colliding beam facility at Cornell. IEEE Trans Nucl Sci, 1977, 24: Olive K A, Agashe K, Amsler C, et al. Review of particle physics: 30 high-energy collider parameters. Chin Phys C, 2014, 38: Rubin D L. CESR status and plans. In: Proceeding of Particle Accelerators Conference, 1995, Rice D. CESR-c: A wiggler-dominated collider. In: The Particle Accelerator Conference, 2007 PAC IEEE, June Barnett R M, Carone C D, Groom D E, et al. Review of particle physics. Phys Rev D, 1996, 54: Soding P. On the discovery of the gluon. Eur Phys J, 2010, 35: Lawrence Berkeley Laboratory University of California. Accelerator Division Annual Reports, 1 July December LBL-3835, Lawrence Berkeley National Laboratory. PEP Conceptual Design Report. LBL-4288, Rees J R. The positron-electron project-pep. SLAC-PUB-1911/PEP-243, March Nishikawa T, Horikoshi G. Status of KEK TRISTAN project. IEEE Trans Nucl Sci, 1983, 30: Horikoshi G, Kimura Y. Status of TRISTAN. Nucl Phys Sec A, 1988, 478: Kimura Y. From TRISTAN to B-Factory. IPAC10 Special Lectures to Commemorate the 120th Anniversary of the Birth of Yoshio Nishina, October Seeman J T. The Stanford linear collider. SLAC-PUB-5607, July Assmann R, Barklow T, Breidenbach M, et al. SLC The end game. SLAC-PUB-9724, April Hübner K. Designing and building LEP. Phys Rep, 2004, : Aßmann R. A brief history of the LEP collider. Nucl Phys B Proc Suppl, 2002, 109: European Organization for Nuclear Research. LEP design report: Vol II the LEP main ring. CERN-LEP/84-01, June Bailey R, Benvenutl C, Myers S, et al. Advance in particle physics: The LEP contribution. Comptes Rendus Physique, 2002, 3: Shiltsev V. Colliders Quo Vadis? : Tomorrow and After Tomorrow, Analysis, Prediction and Plan. Future Colliders, Fermi National Accelerator Laboratory, April 26, Behnke T, Vrau J E, Foster B, et al. The International Linear Collider Technical Design Report, Wang Y W. Study on the beam dynamics of the CLIC main linac and the beam optics of the ILC/CEPC final focus system (in Chinese). PhD Thesis. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2013 [ 王毅伟. CLIC 主直线加速器束流动力学及 ILC/CEPC 最终聚焦系统束流光学研究. 博士学位论文. 北京 : 中国科学院大学, 2013] 1259

10 2015 年 5 月第 60 卷第 14 期 50 Aicheler M, Burrows P, Draper M, et al. A multi-tev linear collider based on CLIC technology: CLIC Conceptual Design Report. CERN , Blondel A P, Geneva U, Zimmermann F, et al. LEP3: A high luminosity e + e collider in the LHC tunnel to study the Higgs boson. Proceedings of IPAC2012, New Orleans, Louisiana, USA, TUPPR Koratzinos M, Blondel A P, Aleksan R, et al. TLEP, first step in a long-term vision for HEP. arxiv: , Wang Y F. Build large accelerator, to achieve scientific dream (in Chinese). Modern Phys, 2014, 26: 29 31[ 王贻芳. 建设大型加速器实现科学梦. 现代物理知识, 2014, 26: 29 31] 54 Holden K. Chinese physicists set to unveil conceptual design for the globe s most advanced circular collider. Sci Bull, 2015, 60: Wang D, Gao J, Xiao M, et al. Optimization parameter design of a circular e +s e Higgs factory. Chin Phys C, 2013, 37: Review of electron-positron colliders at the high-energy frontier GAO Jie & JIN Song Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing , China In 2012, the discovery of a particle matching the Higgs boson at CERN s Large Hadron Collider became a very important milestone in high energy physics history. Research and development towards future high-energy electron-positron colliders is actively explored around the world with the purpose of measuring precisely the properties of this unconfirmed Higgs boson and to discover new physics beyond the Standard Model of particle physics. In this paper, we briefly review the history from the past half century of electron-positron colliders at the high-energy frontier, including the first electron-positron collider AdA, as well as the colliders based AdA, such as ACO, VEPP-II, ADONE, and the later colliders SPEAR, DORIS, CESR, TRISTAN etc., and the last and largest electron-positron collider in the world up to now, LEP. Then, the paper reports several proposals for future electron-positron colliders from around the world such as ILC, CLIC TLEP and so on, in particular China s entry, the Circular Electron-Positron Collider. accelerator, electron-positron collider, Higgs boson doi: /N 补充材料表 S1 能量前沿正负电子对撞机列表本文以上补充材料见网络版 csb.scichina.com. 补充材料为作者提供的原始数据, 作者对其学术质量和内容负责. 1260

楊振寧80大事年表

楊振寧80大事年表楊振寧大事年表 10-Aug-11 原載人情物理楊振寧 ( 葉中敏著, 中文大學出版社, 2002 年 ) 2010 年經本人修訂 1922 年 10 月 1 日出生於安徽合肥父楊武之, 母羅孟華, 為家中長子, 小名大寧子 1923 年未滿一周歲, 父離家赴美留學, 隨母居