中国应该选择μ子对撞机吗？

残云伴鹤归 2016-01-13

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唐靖宇 (中国科学院高能物理研究所研究员)

对中国不少高能物理学家目前正推动的超级对撞机项目，很多人都很关注，本人也有幸在一定程度上参与了这个项目，切身感受到了国际高能物理界对我们的高看。

2016年1月6日，诺贝尔奖获得者、世界著名高能物理学家Carlo Rubbia(鲁比亚)在中科院高能所作了一个报告“Future Accelerators for Astro-particle Physics”，介绍了他对未来国际上应该设计建造什么样的高能加速器的看法，并主张建设μ子(Muon，有时翻译成“缪子”)对撞机，而不是传统的正负电子对撞机和质子对撞机。

《赛先生》也及时刊登了张轩中先生撰写的介绍性文章。张先生文笔细腻，既描绘了Rubbia本人的传奇科学生涯，也介绍了他对下一代对撞机的主张，引发人们对我国在未来选择高能对撞机的思考。

国际上现有四种主要技术路线

继Higgs玻色子在LHC上被发现之后，国际上提出了多个不同的未来高能加速器的方案，既瞄准对Higgs粒子的精细研究(Higgs工厂，研究Higgs物理)，也希望在新的能量前沿有所斩获，即发现超出标准模型的新物理(BSM物理)。

具体来说，目前国际上主要有4个主要技术路线，中国重点研究基于新一代环形正负电子对撞机的方案(周长50-100 km)，可以迅速开展Higgs物理的研究，并在第二阶段在同一个隧道中建设比LHC能量高几倍的超级质子对撞机，以进行新物理的探索；CERN主要研究周长为100 km左右，能达到100 TeV的超级质子对撞机，并维持正负电子对撞机作为选项；日本则继续追求建造国际直线对撞机ILC的方案(也是正负电子撞机)，可以分阶段提高对撞能量，兼顾对Higgs物理的研究和新物理的研究；美国则主要推动μ子对撞机的方案，基于μ子加速方案既可以服务于中微子振荡的实验研究(中微子工厂)，又可以分阶段建设μ子对撞机，以兼顾研究Higgs物理和BSM物理。

之所以有μ子对撞机的想法，是因为高能量的环形正负电子对撞机遇到同步辐射限制问题，同步辐射功率与能量的四次方成正比，与周长成反比，为了在可接受的辐射功率下建造更高能量的对撞机，其周长就变得非常大。对应于100km周长的隧道，单束流能量极限大约在150 GeV，或曰对撞能量极限是300 GeV。此前最大的正负电子对撞机是CERN的LEP，其隧道周长27km，单束流能量极限是105 GeV，或曰对撞能量209 GeV，离发现Higgs粒子仅差一点点。LEP后来被拆掉，以给现在的LHC让路，二者用的是同一个隧道。

而μ子对撞机的能量限制，在理论上其极限能量可以比电子机器高200倍(μ子质量是电子的210倍)，但要想减小周长，其极限能量就低一些，一般情况下可以说高50倍，对撞能量可以达到10 TeV左右。

四种方案谁更占优?

Rubbia教授近来以稍微不同的视角来推动低能μ子对撞机的方案，考虑他本人在高能物理界的巨大影响，人们可能会对该方案更加刮目相看。

根据笔者的观察，上述方案各有所长，也都是根据推动者自身条件和优势所作的选择。

中国方案强调一期环形正负电子对撞机CEPC方案的技术成熟性、造价适当和具有今后二期建设质子对撞机的潜力。CERN方案虽然也提环形正负电子对撞机(FCC-ee)，但它更强调质子对撞机(FCC-hh)是在HL-LHC(LHC的高亮度升级项目)之后的更长期发展。日本的ILC方案有约二十年的国际合作基础，强调兼顾Higgs精确测量和对新物理的探索，但存在造价高、且没有覆盖多TeV能区能力的缺点。美国的μ子对撞机方案强调兼顾较低能量的Higgs物理和高能量的新物理探索，又兼顾服务于费米实验室目前主要开展的中微子振荡研究，该方案因为对空间要求小可以放在现在的费米实验室园区内甚至可以重新利用已退役Tevatron的隧道，但面临μ子束冷却和加速的重大技术挑战。实际上，费米实验室已基本停止了这方面的研究，而将精力集中到中微子相关的方面。

在Higgs物理的研究方面，各个方案强调自身的优势，CERN的P. Janot博士和瑞士日内瓦大学的A. Blondel教授给了一个在Higgs物理研究方向不同研究内容上各方案的比较(见下表)，他们认为，综合来看，环形正负电子对撞机还是有优势的。

摘自A.Blondel在CERN举行的Muon束科学发展潜力研讨会上的报告，2015年12月17日

μ子对撞机之路尚远

至于μ子对撞机，笔者碰巧对其略知一二，并一直关注甚至参与μ子对撞机所依赖的μ子束电离冷却技术的发展。

考虑到环形正负电子对撞机在高能量遇到的同步辐射限制这个瓶颈，国际上从上世纪90年代起就对之前提出的μ子束对撞的概念进行了深入的研究。考虑到中微子振荡实验研究也希望获得和加速高强度的μ子束以产生高亮度的中微子束(中微子工厂)，国际上就形成了一个较广泛的合作研究框架(The Neutrino Factory and Muon Collider Collaboration, NFMCC)，并自1999年以来每年召开研讨会(NuFact系列)，至今已召开了17届。美国和欧洲都曾有专门的经费项目支持这项研究。

针对其中的关键技术——μ子束电离冷却，国际上也成立了专门的合作研究项目MICE(International Muon Ionization Cooling Experiment)，在英国卢瑟福实验室(RAL)的ISIS装置上开展原理性的论证实验(见下图)，高能所也是MICE合作组的成员。目前，MICE合作攻克了不少难关，已进入到了设备安装、调试和束流实验阶段，希望在2018年获得理想的实验结果，以初步证明μ子电离冷却方法和技术的可行性。

至于要利用该技术来建设中微子工厂和μ子对撞机，还需要进一步的、远超出MICE实验的研究和技术研发，因此还有较长的路要走。遗憾的是，美国能源部2015年决定在短时间内停止μ子束加速研究项目(MAP)，并缩减对MICE实验的支持，给该方向的发展造成了阴影。Rubbia教授报告中提到的采用电离冷却环的方案曾被多人提出，虽然很有吸引力但涉及的技术难度更大，而且会牺牲μ子流强，自概念提出后并没有得到后续的发展。

在英国RAL实验室ISIS上建设的MICE国际μ束电离冷却合作实验

另外，笔者还想就μ子对撞机的造价问题说几句。Rubbia教授认为，μ子对撞机比其他对撞机方案便宜很多。如果国际上哪个实验室先期建成了中微子工厂，解决了质子驱动器、μ子靶站、μ子束冷却和初期加速的巨大造价，估计在几十亿美元量级，那么这个结论应该争议不大，因为μ子对撞机环本身的初级阶段只需要几百米的周长，确实很便宜。

但如果把前面的加速器放在一起来考虑造价，它就没有多少优势了，至少相对中国的CEPC计划没有优势。

中国的合理选择

在笔者看来，我们应该继续关注包括μ子对撞机在内的其他方案的发展，但中国选择CEPC-SPPC的方案在目前看来是个合理的选择。因为我国在环形正负电子对撞机方面已经积累了一定经验，建造CEPC的技术基本成熟、造价也相对便宜，而建造超级质子对撞机所需要的重大技术难关，则可以通过今后二十年的技术研发和国际合作来解决。同时，也要通过超导技术的进步大大降低质子对撞机的造价，且这种进步又是具有极为重大的应用价值。

分两阶段建设的科学目标非常明确，既能对Higgs物理有非常强的研究能力，也是高能量前沿研究的最有效工具。CEPC-SPPC虽然是个极其庞大的项目，造价也非常高，但对中国科学的发展是个重大机遇，也一个重大挑战，其引领作用非常大，受益的不仅仅是中国的高能物理，而是范围广泛的技术领域和基础工业。作为一个高能人，笔者梦想有一天中国成功地建造了CEPC并建成了一个国际科学中心，这是我的中国梦。