國際直線對撞機

ILC的威力將遠遠超過以往任何一台正負電子對撞機，讓物理學家有能力深入研究LHC的任何一項新發現。LHC 是為研究質子對撞而設計的。質子實際上由夸克和膠子組成。夸克是目前已知的、組成物質的最小微粒。

來自全世界300多個實驗室和大學的1600多名科學家和工程師，正致力於ILC的設計及探測器的研發，這些探測器將用來分析ILC中正負電子對撞的產物。

2007年2月，設計小組公佈了ILC的估計造價，約合67億美元(不包含探測器的成本)。已經比較了在三處不同地點建造ILC的造價，這些候選地點分別是：瑞士日內瓦附近的歐洲原子能研究中心(CERN)、美國的費米國家加速器實驗室和日本某山區。

2005年8月，來自世界各地的600多名物理學家，齊聚美國科羅拉多州的斯諾馬斯，討論ILC的研發計劃。不過這一計劃的真正起點， 可以追溯到1989年， 當時CERN的大型正負電子對撞機(Large Electron-Positron COllider，縮寫為LEP)剛剛開始試運行。LEP在一個周長27千米的貯存環(storage ring)中加速正負電子，再讓它們對撞，對撞能量可達180 GeV。不過很顯然，LEP是同類加速器中規模最大的一個，今後也不會再建造更大的環形正負電子對撞機。原因很簡單，要把正負電子加速到萬億電子伏特，達到所謂的萬億能標，需要建造一個周長幾百千米的圓環，它的造價是任何機構都不可能承擔得起的。

環型電子對撞機向更高能區發展遇到了同步輻射能量損失隨束流能量的四次方增長的困難，為了向更高的能量和更深的層次進軍，直線對撞機作為未來的高能對撞機而得到世界各國的重視。世界上第一台直線對撞機是美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）的SLC，它利用SLAC的50GeV的直線加速器。在SLC中，正負電子束流分別經過兩個弧形傳輸線進入對撞區，實現了的對撞，驗證了直線對撞的原理。在這以後，世界上提出了多個直線對撞機的設計方案，形成了低温超導和常温常規兩種加速結構之爭。

環形加速器的主要障礙是同步輻射(synchrotron radlation)：正負電子之類的較輕粒子在環中加速時，總是會遇到許多二極磁鐵(dipoe magnet)迫使它們轉彎，每次轉彎都會產生這種輻射，使粒子丟失一部分能量。因此，加速正負電子就會變得越來越困難，此類對撞機的造價將與對撞能量的平方成正比。也就是説，一台對撞能量比LEP大一倍的機器，造價會是LEP的4倍。(如果加速質子之類的較重粒子，能量丟失就不會那麼嚴重； 因此LEP的圓狀隧道成了現在LHC的棲身之所。) 直線對撞機則是一個比較省錢的方案，它能避免環形加速器的那種同步輻射。在ILC的設計方案中，兩個11．3千米長的直線加速器(linac)分別加速正負電子，讓它們互相瞄準，在中間發生對撞。

直線對撞機的缺點在於，正負電子從靜止狀態加速到對撞能量必須一次成功，不能像環形加速器那樣一圈一圈逐漸累加。要達到更高的對撞能量，就要建造更長的直線加速器。直線對撞機的造價與對撞能量成正比，因此讓它達到萬億能標所需的費用比環形對撞機便宜得多，這一優勢是顯而易見的。

在歐洲建造LEP的同時，美國能源部也在斯坦福直線加速器中心(SLAC)建造了一台與它競爭的對撞機，第一次把直線對撞機從概念變成了現實。這台機器用一個3千米長的直線加速器交替加速正負電子束團，使它們的能量達到大約50 GeV，再用磁鐵使沿不同方向注入貯存環，加速對撞。這台對撞機從1989年一直運行到1998年，雖然只用了一個直線加速器，算不上是真正的直線對撞機，但它鋪平了通向ILC的道路。

確切地説，萬億能標直線對撞機的設計規劃工作，開始於20世紀80年代末到90年代初，當時物理學家提出了幾個相互競爭的加速技術。隨後10年裏，科學家在不斷完善該技術的同時，也將關注點集中在如何控制造價方面。2004年8月，由12名獨立專家組成的小組對所有的技術進行了評估，最終決定採納TESLA組提出的技術方案。TESLA組由德國漢堡電子同步加速器研究中心(DESY)領導，成員來自40多所大學和研究所。根據這套方案，正負電子將穿過一長串真空腔(cavity)。真空腔由金屬鈮(nioblum)製造，冷卻到極低温度時會產生超導現象，可以毫無阻礙地傳導電流。超導現象能在真空腔內高效產生射頻振盪強電場，振盪頻率達到每秒十億次。正負電子就在這種不斷振盪的電場中加速衝向對撞點。

這種設計方案被稱為超導射頻(SCRF)。它的基本構造是一節節一米長的鈮腔，由9個能夠冷卻到2K的腔室構成。8-9個鈮腔首尾相連成一條直線，再浸入裝滿超冷液氦的冷卻罐之中。ILC有兩個直線加速器，每個需要大約900個冷卻模塊，一共就要用到大約16000個真空腔。DESY的研究人員已經建造了10個冷卻模塊，其中5今目前被安裝在DESY的自由電子激光裝置FLASH上，這種裝置利用高能電子輻射激光。DESY即：將造的歐洲X射線自由電子激光器(European X-RavFree-Electron Laser，縮寫為XFEL)也將採用超導射頻技術，共需101個冷卻模塊，它們構成的超導直線加速器可以將子能量加速到17．5GeV．

如果每節真空腔能夠產生更強的電場，ILC的直線加速器就可以造得更短，造價也將更加便宜設計組制定了一個富有挑戰性的目標：改進超導射頻系統，讓粒子每前進一米就獲得35 MeV(百萬電子伏特)的能量。已經有幾個原型試驗腔達到甚至超過了這一目標，但是這種設備的大規模生產仍有困難。實現這一目標的關鍵在於，確保真空腔內一塵不染、完美無瑕。製作真空腔並安裝到冷卻模塊的整個過程，都必須在潔淨環境中完成。

擬議中的國際直線對撞機（ILC）將建立在大型強子對撞機（LHC）的發現之上，以更高的精度仔細考察這一新領域，揭示其豐富的內涵和新的精細層次。國際直線對撞機可以使我們一睹僅在宇宙誕生百億億分之一秒時才能見到的高能量下的景象。大型強子對撞機和國際直線對撞機將共同帶給人們許多預料之中和意想不到的發現。國際直線對撞機為世界範圍內的科技合作指明瞭發展方向，其深遠的影響必將惠及其他領域。它將引領國際科技合作邁向一個新的高度，成為新世紀里人類方興未艾的科學工程的典範。

μ-μ對撞機可以是e-e對撞機的競爭對手，更可能是它以後的高能加速器，兩者具有互補性。

ILC上的每個子系統都將挑戰技術極限，面臨重重工程難題。這台對撞機的阻尼環產生的束流品質，必須比現有電子貯存環高出好幾倍。在整個壓縮、加速和聚焦的過程中，束流的品質必須不受影響。這台對撞機必須採用精良的診斷系統、先進的調束工序和極為精確的準直技術。如何建造正電子產生系統，如何讓納米級束流瞄準對撞點，這些難題的攻克都需要科學家付出艱辛的努力。

建造一個能夠分析ILC對撞結果的探測器也是一項挑戰。舉例來説，要想測量希格斯玻色子和其他粒子的相互作用強度，探測器就必須測量帶電粒子的動量和它們的起始點，而且測量精度必須比以往的探測器高出一個量級。科學家正在研製新型徑跡系統和量能器，以便在ILC上取得豐碩的物理學成果。

雖然ILC小組已經選定了對撞機的設計方案，但是還有更多的計劃有待落實。今後幾年內，LHC將採集和分析海量的質子對撞數據，我們也將努力優化ILC的設計方案，確保在合理的成本控制下，讓這台正負電子對撞機獲得最好的性能。目前，我們還不知道ILC將在哪裏建造，地點的選擇主要取決於哪個國家更願意為此計劃慷慨解囊。在最終選定之前，我們將繼續對歐洲、美國和日本的候選地點進行綜合分析。候選地點的地質結構、地形地貌和當地的法律法規，都會對建造方案的規劃和造價評估產生影響。最終，ILC的許多設計細節都取決於對撞機的確切建造地點。無論如何，只要科學家在LHC中發現了值得進一步探索的最佳研究目標，現有計劃都可以讓ILC全力以赴接手後續研究工作。在從事技術設計開發的同時，我們還將創建ILC的管理模式，讓參與項目的物理學家人人都有發言權。這個雄心勃勃的承諾，已經在ILC的概念提出和設計研發階段的全球合作中實現，我們希望在對撞機未來的建造和運行過程中也能如此。 ^[1] 

研究正未有窮期。路漫漫其修遠兮，科學家將上下而求索。

我國科學家正在申請國家重點基礎研究發展計劃(“973”計劃)的項目 ^[2]  ，計劃為中國申請承建ILC做一些準備工作。

設計小組還在為這個完全國際化的實驗室設計切實可行的管理模式。雖然ILC的造價看上去有點嚇人，但並不比LHC和ITER核聚變反應堆之類的大型科學工程昂貴多少。如果一切進展順利的話，ILC會在21世紀20年代“照亮”粒子物理學的最前沿。

我國應抓住這一歷史機遇，適時申請成為相關項目的承建國，並通過相應的高效投資發展自己並贏得自身的跨越式發展，實現中國科技領域具有標誌性的和實質性的戰略轉折。物質深層次結構和宇宙大尺度物理學規律的研究已列入國家中長期科學發展規劃，而處在粒子物理革命性突破關鍵時期的、用於高能粒子物理實驗的國際直線對撞機(International Linear Collider，ILC)計劃是符合我國中長期科學發展目標的國際性大科學工程。由於這個探索直接涉及人們對一切物理質量起源的瞭解，因而它是物理學中極為深刻和重要的研究，探清這些極為基本的問題會對粒子物理的發展、整個物理學的發展乃至人類的發展有深遠的影響。

整台ILC機器總長將達到31千米，主要由兩個超導直線加速器組成，正負電子的對撞能量將達到500 GeV。(250GeV的電子與250 GeV的正電子迎頭相撞，就會產生質心能量為500 GeV的對撞：)ILC每秒將產生5次脈衝，每個脈衝持續1毫秒，能產生3000個正負電子束團，使它們加速併發生對撞。每個加速器的平均束流功率約為1萬千瓦。加速器將電功率轉換為束流功率的總效率約為20%，因此兩個加速器的耗電功率將達10萬千瓦。

為了產生電子脈衝，ILC將用激光照射砷化鎵靶標，每個激光脈衝可以打出數十億個電子。所有電子的自旋方向都保持一致，這種性質被稱為“自旋極化”(spin-polarized)，對研究粒子物理學中的許多問題來説非常重要。這些電子將在一段較短的超導射頻直線加速器中迅速加速到5 GeV，然後注入ILC中央一個周長6．7千米的阻尼環。電子在環中繞行併產生同步輻射，與此同時，電子束團被壓縮，體積減小，電子密度增加，因此實際上增加了束流強度。

200毫秒後，電子束團離開阻尼環，每個束團的長度約為9毫米，直徑比頭髮還細。為了提高加速性能，並在與正電子束團發生碰撞時取得最好的效果，電子束團將被進一步壓縮到0．3毫米長。在這一壓縮過程中，電子將被加速到15 GeV。隨後，束團被注入長達11．3千米的超導射頻主加速器，並被加速到250GeV。 當電子在這個直線加速器中被加速到150 GeV時，這些粒子會拐個小彎，以便產生正電子束團。它們將被偏轉到一個被稱為“波盪器”(unduator)的特殊磁鐵中，將部分能量轉換為伽馬射線輻射出來。這些伽馬光子將被聚焦在一個每秒旋轉1000次的鈦合金薄片上，產生大量正負電子對。正電子被收集起來，先加速到5 GeV，再注入另一個阻尼環，最終被送入ILC另外一側的另一個超導射頻主加速器中。

一旦正負電子被加速到250 GeV，並迅速向對撞點匯聚，一系列磁透鏡會把高能束團聚焦成扁平的帶；伏束流，寬640納米高6納米。對撞發生後，剩餘的束團會被引導到束流收集器上，該裝置可以安全地吸收正負電子，並耗散掉它們的能量。

兩台12千米長的直線加速器——一台加速電子 ^[3]  ，一台加速正電子——加速粒子束團直到對撞點。每台加速器都由中空的結構——超導腔組成。超導腔位於一系列的低温容器內，這些容器叫做低温模塊。低温模塊使用液氦把超導腔冷卻到-271℃，僅比絕對零度高一點，這樣就使腔處於超導態。電磁波充滿超導腔，推動粒子，並把它們加速到250 GeV的能量。每個電子或正電子束團含有約1000焦耳的能量，這相當於大約10兆瓦的平均束流功率。電子和正電子的產生、阻尼和加速等一系列過程每秒鐘重複5次。 ^[1] 

使用超導材料(例如金屬鈮Nb)製造的超導腔被冷卻到接近絕對零度，射頻功率在超導腔中形成以一定頻率變化的電場。帶電粒子感受到電場力的作用而被加速。超導射頻腔幾乎不消耗能量，這意味着絕大部分電能都被用來加速粒子，而不是消耗在腔壁上產生熱量。

設計和製造理想的超導腔不是一件簡單的事情。1米長的超導腔是由9個單腔構成的。它要被拋光到微米級的表面光潔度，並不能含有雜質。一定的表面缺陷或者灰塵都會使超導腔失去超導電性，從而不能維持加速粒子所需的電場。超導腔在經過一系列仔細的化學處理和工藝過程後，表面變得近乎閃光。

國際直線對撞機的對撞點位於巨大的探測器系統的中央，在對撞點周圍有一個酒瓶大小的小型徑跡探測設備--頂點探測器。

這個高技術設備由許多柱狀硅探測器組成，總共有10億個像素，是如今最好的數碼相機像素的好幾百倍。頂點探測器就像一架三維照相機，並像一台顯微鏡一樣，可以以微米級的精度測量對撞產生的粒子的徑跡，這些粒子中可能含有少數奇特的重夸克，它們在衰變到普通物質之前只能存在l0萬億分之一秒，這些重夸克在對撞點附近衰變並被頂點探測器探測到，這類重夸克將為發現新的物理現象提供線索。

為了使亮度儘可能大，粒子束團的尺寸必須非常小。在對撞點兩邊各有一個由一系列磁鐵組成的兩公里長的束流輸運系統。這個系統把正負電子的束團尺寸都壓縮到幾納米高、幾百納米寬。束流輸運系統還要刮掉偏離軌道的粒子，以保護敏感的磁鐵和探測器。磁鐵將改變心子和正電子束團的對撞姿態，使其頭對頭對撞。

電子束團和正電子束團以接近光速的速度相向運動，最終以500 GeV的總能量實現對撞。兩個可以互換的龐大的粒子探測器將記錄這一壯觀的對撞過程。它們像巨大的照相機，對正負電子對撞產生的飛馳的粒子進行快速拍照。這兩 個探測器採用的技術不同，但是互為補充，都將使用最先進的技術來捕捉每個相互作用產生的各種粒子的寶貴信息。兩個探測器的聯合使用將對不易分辨的信號進行必不可少的交叉核對,這些信號可能預示着新的物理發現。

高密度束團在探測器中可以產牛豐富的對撞事例，而電子和正電子束團在剛產生的時候都不夠緊密。國際直線劉撞機使用兩個周長6.7千米的阻尼環，一個電子環，一個正電子環，來解決這個問題。在每個阻尼環中，束團多次通過一系列扭擺器，在其中左右扭擺，變得更為緊密。每一個束團在阻尼環中的運動時間大約是五分之一秒，環繞約一萬圈之後被引出。磁鐵使粒子在阻尼環的圓形軌道上保持一定的運動軌跡，並對其進行聚焦。在阻尼環的出口處，束團長度為幾毫米，而厚度比人的頭髮的直徑還要小。

同際直線對撞機所要探測的能量範圍遠遠超過任何正負心子對撞機曾經達到過的能量。為了得到500 GeV對撞所需的250 GeV的束流能量，需要的加速電壓相當於把1670億個標準5號電池頭尾相接所形成的電壓。

“加速”意味着粒子速度和能量的同時增大。一般使用“加速梯度”來表示加速器中粒子在中位距離內的能量增長，其常用中位是伏特每米。要在儘可能短的距離內把粒子加速到儘可能高的能量。加速梯度越高，國際直線對撞機就可以做的越短，從而越便宜。對於一定長度的機器，加速梯度決定了電子和正電子最終對撞時的能量。物理原理決定了超導腔的加速梯度有一個上限。我們正在努力使超導腔的加速梯度接近這一上限。15年前，最高的加速梯度大約是5兆伏每米。經過大量的研究，現在加速梯度有了大幅度的提高。國際直線對撞機的加速梯度目標是31.5兆伏每米。

帶電粒子只能由電場加速。我們向超導鈮腔中輸入能量脈衝來建立加速電場。超導腔浸泡在-271℃的液氦裏，再放置到由熱屏蔽層和外殼構成的低温叵温器中。外界環境一般比超導腔的温度高300℃，低温恆温器的作片用是使超導腔與外界環境之間隔熱。每台直線加速器包含8000個大約1米長的超導腔，它們在低温模塊中頭尾相接，用來加速電子和正電子。

為了取得新的物理發現，我們需要大量高質量的數據。電子和正電子對撞的頻率越高，產生的感興趣的數據就越多。這就需要高的亮度，即單位截面的對撞速率。國際直線對撞機要求的亮度超過每平方釐米每秒10^34次對撞，這是設計這台機器的主要挑戰。我們可以採取措施，把儘可能多的正負電子壓縮到一個儘可能小的束團中去，並使束團頭對頭對撞，從而達到高亮度。這意味着，要讓超過100億個電子或正電子擠到一個大約5納米高、500納米寬的束團中去。然後再使用先進的反饋技術控制束團進行對撞。

粒子探測器是國際直線對撞機的畫龍點睛之筆。探測器包圍在正負電子對撞點的周圍，給出破解量子宇宙的信息。探測器的長、寬、高均為12米，有3層樓房那麼高，重達幾千噸，包括所有的組件和電纜，以及一塊具有很強磁場的磁鐵。 ^[4] 

採用當今世界最先進的技術，探測器將記錄每一次對撞過程以及對撞產生的新粒子。數以百萬計的電子學通道將記錄下寶貴的數據，並確保無一遺漏。這些先進技術在10年前還是難以想象的。

基於這些數據，我們可以重建每次對撞過程，以足夠的精度考察每個事例，從而理解對撞中的物理機制。這些分析結果

可以用來尋找暗物質粒子、希格斯粒子、超粒子，或者發現未預料到的東西，並進行進一步的詳細研究。國際直線對撞機的探測器將可以使我們以前所未有的精度來研究粒子的對撞過程。 ^[4] 

高能加速器是粒子物理最重要的研究手段 ^[5]  。為了全面研究電弱對稱性自發破缺機制和一切質量起源等基本問題,探索超出標準模型的新物理現象,理解宇宙觀測中暗物質和暗能量的性質,人類需要建造一個能夠達到TeV(1012電子伏特)能區的強子對撞機和一個正負電子直線對撞機.目前在歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)已於2010年3月30日成功地進行了對撞實驗,這標誌着LHC正式進入了物理實驗階段.強子對撞機LHC有能力發現新現象,但要揭示清楚新物理規律則必須進行足夠精確的測量,這是LHC難以做到的(質子與反質子中各由3個夸克組成,對撞的初始條件複雜).然而,TeV能量級的正負電子直線對撞機能夠進行非常精確的測量(電子是沒有內在結構的基本粒子,對撞初始條件簡單、清晰),因此,在今後的粒子物理實驗研究中,這兩台高能對撞機的相互補充將起到關鍵的作用.這是國際高能物理學界經過二十多年的研究後得到的共識.LHC的成功對撞,為正負電子直線對撞機最終對撞能量參數的確定創造了條件。

LC是直線對撞機將是正負電子對撞機的能量前沿,可以預期這兩個大科學裝置上的研究工作將成為粒子物理研究的主流.未來正負電子對撞機之所以採用直線對撞機而不是環型對撞機,主要是為了避免環型加速器中粒子偏轉過程中沿切線方向產生的,正比於粒子能量四次方的高功率能量損失。

我國科學家在ILC粒子物理理論和實驗方面已經開展了多方面的研究,例如,通過什麼粒子反應過程能探測新物理信號,併為未來的實驗提供指導;LHC和ILC的研究相互補充問題;尋找各種新粒子和普遍探測現有粒子的有效相互作用;提出新物理模型等.在ILC實驗物理方面,開展了利用Monte Carlo方法研究ILC探測器的性能,探索新物理信號的分析方法,以及粒子的重建方法等內容 ^[2]  。

在探測器研究方面,主要集中在以下兩個主要的方向上:一是研究將我國現有的、在國際上具有領先水平的探測器建造技術應用到ILC上的可能性;二是大力開展我國目前還比較薄弱、但未來迫切需要並有很好應用前景的相關技術研究。

通過近年來建造國內外的高能物理大科學工程(如北京譜儀Ⅲ)和參加LHC上的CMS和ATLAS實驗組等國際合作,在探測器研究和建造方面積累了很多具有國際領先水平的關鍵技術,這些技術在ILC上的應用前景是我們參加ILC國際合作的一個重要基礎.例如,我國在基於RPC技術的探測器研製方面掌握了有我們自己知識產權的技術,在北京譜儀的升級改造中起到了關鍵性的作用.目前正在研究如何做出相應的改進,來適應直線對撞機上的探測器中繆子探測器和強子量能器的技術要求.清華大學開展了關於時間投影室(TPC)的研究,並於2007年正式加入了LCTPC國際合作組.

在目前ILC上探測器的兩個方案中 ^[6]  ，ILD採用TPC作為主徑跡探測器.2006年建成了小模型TPC(國際上稱為TUTPC)後通過一系列測量實驗,性能達到了國外同類小模型的水平.2007年,TUTPC在KEK的磁場中進行宇宙線測試,為ILC上的TPC研製提供了重要的數據。

在ILC總體設計方面,提出了中方的對撞機參數選擇;推翻了長期以來國際上TME結構設計ILC阻尼環的方案,採用FODO結構給出了ILC阻尼環6km及3.2km兩種設計方案 ^[7]  。在ATF2的束流光學設計方面,通過與法國LAL合作,優化了ATF2的設計指標,把37nm的設計束斑減小到20nm。在ILC實驗裝置硬件合作方面,自2006年以來,中科院高能所為建在日本KEK的ILC-ATF2實驗裝置共生產了34塊四極磁鐵和3塊二極磁鐵並已交付使用,現已應用在KEK的ATF2傳輸線上。這一實質性硬件生產貢獻,為中國積極參與ILC其他方面的合作爭取到了有利的條件。