CEPC-SPPC初步概念设计报告

粒子物理 加速器

"初步概念设计"全文网址

• “初步概念设计报告”（Pre-CDR, Preliminary Conceptual Design Report）

第一代粒子加速器：

• 1924，罗夫·维德罗在88厘米长的玻璃管内建造了世界上第一台直线加速器；
• 1929，范德格拉夫静电发生器；（范德格拉夫加速器）
• 1930，劳伦斯的第一个4英寸直径回旋加速器；
• 1932，考克拉夫特-沃尔顿静电发生器；

希格斯玻色子

最新的进展：CERN的LHC发现希格斯玻色子；

问题：LHC是否是最后一个强子对撞机？（什么是RLHC，VLHC）

希格斯玻色子的发现引发了新一轮的高能物理领域的战略规划。重新点燃了大家对未来大型环形对撞机的兴趣。

由于希格斯粒子的质量较低（126GeV），环形正负电子对撞机可以作为希格斯工厂。但是为了克服高能正负电子的同步辐射（能量损失），环形对撞机的周长必须足够大，如果有了这样巨大的环形隧道，就意味着可以建造一个能量远高于LHC的质子-质子对撞机。

希格斯工厂的设计目标：240GeV，$2 \times 10^{34} cm^{-2} s^{-1}$

迄今为止，电子对撞机的最高能量是209GeV（LEP2），最高量度是$2.1 \times 10^{34} cm^{-2} s^{-1}$。困难在于同时实现这两个参数。

强子对撞机的建造要比轻子对撞机困难和昂贵的多。被称为“科学发现的引擎”。因为它能提供的对撞能量是最高的，所谓“能量的前沿”。

目前全世界工建造了6台强子对撞机。

• SPS(CERN)
• Tevatron(美国)：质心能量2TeV
• HERA(德国)
• RHIC(美国)
• LHC(CERN)：质心能量14TeV

下一个能量前沿的对撞机，假如也增加7倍的话，就是100TeV。这比希格斯工厂要难得多。让这么高能量的质子在环中转圈，需要20特斯拉的强磁铁。而能产生20特斯拉的超导磁铁目前还不存在。(换句话说技术上现在还不可行)

两步走策略

• CEPC, Circular Electron-Positron Collider. 环形正负电子对撞机

• SPPC, Super Proton-Proton Collider. 超级质子-质子对撞机

• CEPC和SPPC可以同时运行

2014年初，提出“初步概念设计报告”（Pre-CDR, Preliminary Conceptual Design Report）。报告分三卷：1.物理和探测器部分；2.加速器部分；3.土建部分。

这份报告基于54公里环的设计，环尺寸的选择主要出于成本的考虑。备选方案是100公里环的设计。

CEPC，两个对撞点（IP），运行10年，将产生100万个希格斯粒子。

从BEPC-II到建造CEPC-SPPC是一个飞跃，挑战巨大并实在。它是有史以来最强大的科学仪器。

土建部分

问题：加速器的土建和民用工程土建有何区别？

以隧道为例：隧道周长54.4公里，6米宽（LHC隧道直径3.6米，LHC安装时从隧道中拆除了LEP），建于地下50-100米深处。（北京地铁10号线是全世界最长的全地下环形交通运营枢纽，全长57.1公里）

（北京地铁现有地铁线最深的地方在1号线-30m左右，十号线和四号线-20m左右……最浅的应该就是13号线了，全程只有西二旗到龙泽一段和柳芳到东直门有地下段，深度只有-7M左右。）

隧道将能容纳三个环（CEPC对撞机、CEPC增强器，SPPC对撞机）。

超导高频系统

CEPC成功的关键是实现超导射频装置的研发。

CEPC中的超导高频系统主要用于加速增强器和主环中的正负电子束流，补偿同步辐射能量损失，……

超导腔比常温腔具有更高的连续波加速梯度，更高的能量转换效率，更大的束流孔径，……

超导高频系统及其相关的微波功率源系统和低温系统，将在很大程度上决定整个机器的造价、效率及性能。

CEPC的超导高频系统将是世界上规模最大、功率最高的加速器超导高频系统之一。

主环的每台低温恒温器长10米，内有4个650MHz超导腔。增强器的每台低温恒温器长12米，内有8个1.3GHz超导腔。

Euro-XFEL（欧洲自由电子激光）及ILC（国际直线对撞机）低温恒温器的结构经适当修改后可用于连续波或准连续波运行……

电源

CEPC：限制机器的同步辐射功率损耗为大约100MW。

在CEPC这样的高能量对撞机中，束束韧致辐射是限制亮度及机器性能的重要因素。

CEPC主要有弧区和之间的直线节构成，高频腔被分别安装在每个直线节上，用于补偿同步辐射引起的能量损失。

CEPC（50公里）电源系统总功率：68MW（校正电源安装在隧道内）。考虑到还有储存环，Booster对撞区电源及谱仪电源等，预计电源系统总功率为80MW左右。（葛洲坝总装机容量400万千瓦，或4000MW，丰满水电站装机容量1000MW，秦山核电站30万千瓦，或300MW）

四级加速

• 质子直线加速器（p-Linac）
• 快速循环同步加速器（p-RCS）
• 中阶段同步加速器（MSS）
• 超级同步加速器（SS）

（人才也是一种资源，CEPC-SPPC意味着将有一批人才流向粒子物理研究）

高场强磁体技术

2000, RHIC, 3.5T @ 4.2K

2008, LHC, 8.3T @ 1.8K

为了实现20T，低温超导（NbTi或Nb3Sn线圈）提供15T基础场强，内插高温超导线圈（Bi-2212或YBCO）提供5T

超越标准模型

2012，发现了希格斯粒子。

下一步：

进一步测量其性质，包括与费米子，其他玻色子的耦合以及自相互作用。任何对标准模型的偏离都会打开通向超越标准模型新物理的大门。

在标准模型中并没有暗物质的粒子候选者。

希格斯粒子的发现标志着一个实验和理论探索的新时代。

LHC最终的碰撞能量是14TeV

最终轻子对撞机和强子对撞机的能量边界将达到1TeV和近100TeV。

CEPC初步设计为质心能量240GeV

为了达到千分之几的精度需要新机器。作为希格斯工厂的轻子对撞机是自然的下一步。（超越标准模型->希格斯子->提高精度）

• 轻子对撞机干净的环境将允许对希格斯衰变道有更好的专门的测量。

• 强子对撞机：寻找暗物质粒子的候选者。

弱相互作用重粒子（WIMP）：如果暗物质和标准模型粒子的相互作用耦合强度类似于弱相互作用，WIMP粒子的质量大致在TeV的范围，并极有可能在SPPC上观测到。

轻子-强子对撞：将达到$10^{-4} fm$的探测；

（问题：电子要探测小至$10^{-4} fm$的微观结构，需要多大能量？）