高杰：对撞机的历史回顾与展望

自从 Rolf Wideröe（1902-1996）在 1943 年为他提出的对撞机想法申请了秘密专利，以及世界上第一台环形正负电子对撞机 AdA 于 1963 年在法国奥赛（Orsay）的直线加速器实验室（LAL）成功地进行了原理验证，人们不但在过去建造了各种不同类型的对撞机，同时也对未来的大型对撞机进行了规划、研究与准备。在本文中，我们将对对撞机的历史进行较为完整和简要的回顾，并对下一代对撞机的发展进行展望。‍

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1. 引言

2020 年 1 月 16 日-17 日，关于对撞机的机器-探测器接口 (MDI）研讨会在香港科技大学 IAS 举行，会议邀请我做一个关于对撞机历史回顾的报告。这对我来说是一个宝贵的机会，除了因为这个题目很重要，还因为在这个回顾中有机会记录一些自己在对撞机领域研究和工作中所经历的与对撞机发展历史相交集的回忆。这篇文章就是基于这个报告所做的对撞机历史回顾与展望。

2. 对撞机想法的最初提出

2018 年 10 月 9 日，我邀请了环形正负电子对撞机的先驱之一，法国国家科研中心（CNRS）直线加速器研究所（LAL， Orsay） 的 J. Haïssinski【注：J. Haïssinski 的父亲与钱三强同为居里夫人女儿 Irène Joliot-Curie 的学生】在中科院高能物理研究所创新论坛上做了题为“第一台环形正负电子对撞机的历史记述”的报告。根据 J. Haïssinski 的报告 [1]，挪威工程师 Rolf Wideröe（见图 1）于 1923 年在卡尔斯鲁厄 (Karlsruhe) 完成学习，并对电子感应加速器（Betatron）进行过认真的考虑。在第二次世界大战期间的 1943 年，他申请了一项核子“磨坊”的秘密专利，如图 2 所示。该专利于 1953 年公开发表。关于他的环形对撞机想法，他写道：“……那是在 1943 年我有了我的想法。如果可以将粒子在环中存储更长的时间，并且如果让这些被“存储”的粒子朝相反的方向运行，那么结果是每转一圈都将有一次碰撞的机会”。这是有历史记录的粒子对撞机的最初始的想法，如图 3 所示。

图1. Rolf Wideröe

图2. Rolf Wideröe 关于粒子对撞机的秘密专利

图3. 粒子对撞机示意图

3. 相交的对撞机

于 1953 年发表的对撞机的想法似乎引发了大量建议方案和文章 [1]。1956 年 4 月，Kerst 等人发表了“通过粒子束相交获得极高能量”[2]，如图 4 所示。1956 年 6 月，O'Neill发表了“用于高能物理研究的存储环同步加速器装置”[3]，如图 5 所示。

图4. 相交存储环（ISR）示意图

图5. 3-BeV 质子同步加速器布局图

1958 年，Barber 等人发表了关于“量子电动力学极限的实验建议”的斯坦福大学内部 HEPL 报告，RX-1486 [4]，如图 6 所示。

图6. 普林斯顿-斯坦福电子电子对撞机

苏联的科学家，G. Budker 和他的团队于 1956 年秋季在库尔恰托夫研究所（Kurchatov Institute，莫斯科）开始研究电子电子（ee）存储环对撞机（VEP-1），并于 1963 年 8 月首次在新西伯利亚将电子注入到 VEP-1。Budker 等人在参考文献 [5] 的第 274 页进行了报告。VEP-1 如图 7 所示。

图7. VEP-1 布局图

至于在欧洲核子中心（CERN）的世界上第一台质子-质子对撞机，根据 Lyn Evans 的报告 [6]：“在 1960 年代初，一场关于 CERN 下一步发展的辩论正在激烈进行。两种意见间出现了尖锐的分歧，一种意见是建造一台 300GeV 的大型质子同步加速器，“large PS”, 另一种意见则是更雄心勃勃的交叉环质子对撞机（交叉型储存环 ISR）。为了更好地引导讨论，1964 年 2 月，来自欧洲最优秀的 50 名物理学家齐聚欧洲核子中心，他们决定将自己转变为由 Eduardo Amaldi 担任主席的欧洲未来加速器委员会（ECFA）。共识形成花了将近 2 年的时间。1965 年 12 月 15 日，在 Amaldi 的强有力的支持下，欧洲核子研究中心理事会批准了交叉存储环（ISR）的建设”，如图 8 所示。

图8. CERN 的 ISR

1968 年，Simon Van der Meer 第一个提出了随机冷却的想法。1972 年，在 ISR 上观测并解释了肖特基信号，Van der Meer 发表了一篇关于轨道随机冷却横向发射度的论文；即“ISR 中横向轨道振荡的随机阻尼”，CERN/ISR-PO/72-31 [7]。1972 年，W. Schnell 对 ISR 的随机冷却实验进行了可行性研究。1974 年，随机冷却原理首次获得了实验验证，Rubbia 等人随即提出了在 SPS 加速器中的质子反质子对撞束流实验。

4. 环形正负电子对撞机

根据 Pancheri 和 Bonolis 的文章 [8]，1959 年 9 月，在欧洲核子研究中心举行了一次关于用于物理研究的未来高能加速器会议，美国和俄罗斯科学家也参加了会议。尽管在会议中提到了电子-正电子对撞，但那时没有人知道该怎么做。1959 年 10 月 27 日在意大利罗马举行的一个研讨会上，斯坦福大学的 Wolfgang K. H. Panofsky 做了美国正在建造的电子-电子环形对撞机的报告，Bruno Touschek 再次提出了使用电子与正电子对撞的问题。

根据 Haïssinski 的报告 [1]， 正式被记录世界上第一台环形正负电子对撞机 AdA 项目的起点是 Bruno Touschek 于 1960 年 3 月 7 日在 Frascati 举行的一次研讨会上的报告。Touschek（1920-1978），见图 9，在报告中强调通过电子-正电子湮灭而产生的具有确定量子数的纯能量状态可成为通向新物理的途径。他还指出，CPT 不变性将保证电子和正电子之间的对撞。C. Bernadini、G. F. Corazza、G. Ghigo 和 Touschek 关于“Frascati 存储环”的论文，在 1960 年 12 月 16 日 Il Nuovo Cimento 第 18 卷第 6 期上发表。

图 9. Bruno Touschek

至于 Wideröe 和 Touschek 的相遇是如何发生的，可以从 Pancheri 和 Bonolis 的文章“通往高能正负电子对撞机的路径：从 Wideröe 的电子感应加速器到 Touschek 的 AdA 和 LEP”中找到相应的信息 [8]。关于 AdA 的历史，Haïssinski 对 AdA 项目的初始物理目标进行了如下总结：

    · 设计注入方案；
    · 实时测量束流强度；
    · 检查束流寿命（RF、气体散射）；
    · 测量束团尺寸；
    · 测量束流对撞亮度；
    · 观察 e⁺e^-湮灭成 μ 对或 π 对。

AdA的技术挑战：

    · 设计足够小的射频加速腔；
    · 在实验室产生足够的反物质，使 e⁺注入足够高效；
    · 实现并保持超真空；
    · 确保可靠的磁场和射频腔电压；

AdA的时间表：

    · 1960 年 3 月：决定开展在 Frascati 进行对撞束流实验的可能性的研究；
    · 1961 年 5 月：电子束团第一次存储在 AdA 中，见图 10；
    · 1962 年 7 月：AdA 被运到位于法国 Orsay 的 LAL；
    · 1963 年春：发现 Touschek 效应；
    · 1963 年秋-1964 年春：有史以来第一次得到关于反向旋转运行的被存储粒子之间的对撞证据。

图10. AdA at INFN, Frascati, 意大利

1961 年， AdA 在 Frascati 面临一个重要问题，即在 Frascati 实现的电子或正电子捕获率低于预期，每个束流仅有大约 10²个粒子。根据法国 LAL，Orsay 的科学家 Pierre Marin（见图 11）的回忆 [9]，在他和 Georges Charpak 的一次访问 INFN, Frascati 期间，他向 Frascati 的同事建议使用法国 LAL 的直线加速器作为注入器（见图 12）以提高束流流强，这意味着每个束流中的粒子数将会增加到 10⁷。1962 年 7 月，AdA 被运到 LAL，见图 13-15。如 P. Marin 的书中所述（见图 16），在 LAL，Orsay 创建了 AdA Farscati-Orsay 合作组：C. Bernardini、G. Corazza、G. Di Giugno、J. Haïssinski、P. Marin、R. Querzoli 和 B. Touschek。AdA Frascati-Orsay 合作组的法方负责人为 Pierre Marin（1927-2002）。事实上，当决定将 AdA 运到 Orsay，J. Haïssinski 就被邀请从美国回到 LAL 从事 AdA 的研究工作，在那里他完成了他的国家博士论文，这是 Frascati-Orsay 合作中产生的的唯一文凭。

图11. Pierre Marin

图12. 法国 LAL，Orsay 的直线加速器

图13. AdA 在 LAL, Orsay

图14. 带注入束流管的 AdA 在 LAL, Orsay

图15. J.Haissinski 在 AdA 控制室

图16. P. Marin 所著“粒子加速器的半个世纪”的封面

1964 年春，第一次观测到电子-正电子对撞（见图 17），亮度测量装置如图 18 所示，AdA 参数见表 1。

表1. AdA 参数表

图17. 事例率 vs AdA 中束团中粒子数

图18. AdA 对撞亮度测量装置原理图

AdA 之所以重要，是因为它取得的主要科学成果以及对未来对撞机的影响，如下所列：

    · 观察到单个存储的电子/正电子束团；
    · 束流寿命超过 5 小时；
    · 由于残余气体引起的束流散射符合理论预期；
    · 检验了由于同步辐射量子涨落导致的RF寿命；
    · Touschek 效应的发现和 Touschek 效应理论的建立；
    · 发现了决定存储束团高度尺寸的机制（x 和 y 横向振荡之间的耦合）；
    · 有史以来得到的第一个表明存储的反向运动的束流之间发生了对撞的证据。

2009 年，Editions du Dauphin 出版社出版了一本署名为 Pierre Marin 的“粒子加速器的半个世纪”（Un demi-siècle d'accélérateurs de particules）的书，书中他相当完整地回忆了从 AdA 到 LEP 的电子正电子环形对撞机的发展历史。2000 年，我在 LAL 见到 Pierre，问他是否有一天他会写一本关于 AdA 历史的书，他说他已经开始写了。不幸的是，Pierre Marin 于 2002 年初去世。2016 年 7 月，当我去参加在越南归仁 ICISE 召开的第 XIIth Rencontres du Vietnam，PASCOS 研讨会时，我遇到了 Jacques Haïssinski，我问 Jacques，“Pierre 写的书出版了吗”，他告诉我，上面提到的 Pierre 署名的法文书是在 Pierre 去世后在 ACO 协会的帮助下于 2009 年完成并出版的，Jacques Haïssinski 为这本书写了序言。2017 年 Jacques 专门送了我一本。从该书中，我们不仅能了解 AdA，还能了解 ACO、DCI 和 LEP等对撞机的历史，这些我们将在下面简要回顾一下。

当环形电子-正电子对撞机的原理被 AdA 验证之后，位于苏联新西伯利亚的 BINP（1963）的 VEP-II（质心能量 1.4GeV）、Ftascati（1963）的 ADONE（质心能量 3GeV）和 Orsay（1964）的 ACO（质心能量 1.0GeV）等正负电子对撞机相继开始建造。根据 P. Marin 的回忆 [9]，来自 Saclay 的 H. Bruck 被任命为 ACO 存储环负责人，H. Bruck 的学生 J. Le Duff（图 19）则在 ACO 上开展他的博士论文研究工作。

图19. J. Le Duff

其中，应特别强调 ACO（图 20）。在 ACO 中，人们第一次发现了束-束相互作用频移限制效应；第一次使用螺线管磁铁探测器和反螺线管（图 21）；第一次使用六极磁铁（添加线圈，但不是独立的六极磁铁）用于校正色品（由美国科学家 M. Sands 在访问 LAL 时提出的建议）；首次通过实验观察到电子和正电子的极化；首次观察到束长拉伸效应。在 ACO 之后，LAL 决定建造 DCI，如图 22 所示。DCI 是世界上第一台双环正负电子对撞机，随后建成的双环正负电子对撞机是美国的 SLAC PEPII、日本的 KEK B Factory、Super KEK B Factory 和中国的 BEPC II（BEPC 之后）等。在 DCI 上，首次测试了通过使用四束团对撞来补偿束-束相互作用限制效应的想法（但未成功），并且首次采用独立的六极磁铁用于存储环的色品校正。

图20. ACO 正负电子对撞机

图21. ACO 探测器

图22. DCI 双环正负电子对撞机

我在法国 Orsay 的 LAL 学习和工作了 16 年，那里的图书馆、实验室和走廊记录了过去的历史，与 J. Duff、J. Haïssinski、P. Marin、M. Davier 等科学家的接触，使我了解到许多生动的对撞机科学与技术的发展历史，深受他们开创性的科学研究工作和深远的科学视野的影响。J. Le Duff 是我的法国博士导师，J. Haissinki 是我的 Habilitation à diriger des recherches（指导研究资格）答辩委员会成员，M. Davier 是我的博士和 Habilitation 答辩委员会主席，也是 LAL 的所长。

关于正负电子对撞机在中国的发展，可以参考谢家麟院士（1920-2016，图 23）的一篇文章 [10]。从 1977 年 11 月开始，中国的高能加速器计划是质子同步加速器，1981 年 3 月 17 日，在美国费米国家加速器实验室（FNAL）由李正道教授发起的中美高能物理合作的一次会议上，谢家麟介绍了北京质子同步加速器 (BPS)，在讨论期间，美国 SLAC 的 Wolfgang KH Panofsky 提出了 2.2GeV 正负电子对撞机的建议（后来称为北京电子正电子对撞机，BEPC）。在接下来的项目调整、成本审核等过程中，有来自 SLAC 的 B. Richter 和西德 DESY 的 G. Voss 等多位国际专家参与。1984 年 10 月 7 日，邓小平为 BEPC 奠基，1988 年 10 月 BEPC 实现了第一次对撞。自 1986 年 6 月，作为谢家麟先生的博士生，我听他讲了许多 70 年代到 80 年代中期中国高能物理发展的曲折历史，这些历史在参考文献 [10] 中也有详细记录，他们对于中国未来对撞机的发展非常宝贵。2012 年 2 月谢家麟院士荣获 2011 年度国家最高科技奖。2016 年 4 月，亚洲未来加速器委员会 (ACFA) 批准了日本 KEK 黑川真一教授所做的关于国际加速器大会（IPAC）设立四个以亚洲加速器科学家命名的奖项建议，其中第一个奖项是以谢家麟的名字命名（其他三个奬分别以日本、澳大利亚和韩国科学家命名），该奖项当 IPAC 在亚洲举行期间颁发。我有幸参与了黑川真一教授发起的这一奖项命名建议的筹备工作。

图23. 谢家麟院士

CERN 于 1983-1989 年间建造了一台周长为 27km、质心系对撞能量为 91GeV 的单环大型正负电子对撞机（LEP）。1990-2000 年间，LEP 的质心系对撞能量升级到了 209GeV，简称 LEP II 如图 24。LEP 和 LEP II 的最高亮度约为10³²cm^-2s^-1[11]。

图24. LEP/LHC 布局图

为了进一步增加亮度，人们开始建造双环正负电子对撞机，例如 美国 SLAC 的 PEPII、日本的 KEK B、中国的 BEPCII 和日本的 Super KEK B，如图 25 所示。Super KEK B（电子束 7GeV/正电子束 4GeV）于 2018 年 3 月 19 日正式开始调束运行，其亮度正朝着设计目标前进。Super KEK B 的重要特征是在其对撞点的亚毫米 beta 函数（βy = 0.3mm），并且其高亮度目标为 80*10³⁴cm^-2s^-1。

图25. Super KEK B 布局图

2012 年 7 月 4 日在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）上发现了希格斯玻色子，这一发现对未来加速器提出了新需求。由于希格斯玻色子的质量低，除了可以采用直线正负电子对撞机（见后面讨论），还可以在环形正负电子对撞机的多个（≥2）探测器中产生大量“干净”的希格斯玻色子并通过精确的实验对标准模型中和超出标准模型的新物理进行研究、探索与发现。2012 年 9 月，中国科学家提出了在中国建造一个希格斯工厂，即未来环形正负电子对撞机（CEPC）[12-15]，如图 26 所示，每个对撞点的亮度在希格斯能量时为 5*10³⁴cm^-2s^-1，在 Z-pole 能量亮度可达 100*10³⁴cm^-2s^-1。2013 年，CERN 提出了未来环形对撞机（FCC）方案 [16]。CEPC 和 FCC 的周长均为 100 公里。CEPC 和 FCC 分别于 2018 年和 2019 年完成概念设计报告。

图26. CEPC 布局图

5. 正负电子直线对撞机

2018 年 12 月 6 日，我邀请了新西伯利亚 BINP 的 Valery Telnov 在中科院高能物理研究所创新论坛上做了题为“直线对撞机历史”的报告 [17]。1965 年，M. Tigner 在 Il Nuovo Cimento 杂志上发表了一篇论文，“一种可能的电子束对撞实验装置”[18]，如图 27 所示。1971 年，G.I. Budker，A.N. Skrinski 和他们的合作者在一份未发表的内部报告中考虑了能达到 100GeV 量级的传统常温和超导直线加速器。B. Richter 回忆说：“1976 年，Amaldi 在 Physics Letters J 中独立地重新发明了具有能量回收功能的 Tigner 的超导电子直线加速器方案。他也考虑过正负电子对撞机，但没有找到令他满意的解决方案，即如何在足够小的相空间中生产正电子，使高亮度正负电子对撞机具有实用性”。

图27. 直线对撞机示意图

1978 年 10 月，V.Balakin、G. Budker、A.Skrinsky 在美国费米国家加速器实验室（FNAL）召开的国际未来加速器委员会（ICFA）加速器和探测器研讨会上做了题为“产生超高能正负电子对撞设施的可行性”的报告 [19]。B. Richter 在“大型直线对撞机的展望”[20] 中说，“我相信直线对撞机想法诞生的开创性事件发生在 1978 年 10 月在费米国家加速器实验室举行的加速器和探测器 ICFA 研讨上。”

B. Richter 于 1978 年提出斯坦福大学直线对撞机（SLC），1988 年 SLC 建成并投入使用，如图 28 所示，SLC 也是直线对撞机的原理验证机。

图28. SLC 布局图

根据 T. Valery 的报告 [14]，面向 TeV 能级的直线对撞机发展的关键里程碑如下：

    · VLEPP（新西伯利亚）1978 年：第一组参数；
    · NLC (SLAC) 于 1980年：作为 SLC 之后的自然发展方向；
    · JLC（KEK）1987年：日本高能物理（HEP）委员会提出；
    · SBLC (DESY) 1990年：DESY（G. Voss）的提议；
    · CLIC (CERN) 1985年：W. Schnell 提出（A. Sessler 在 1982 的最初想法）；
    · TESLA (DESY) 1990年：M. Tigner（Cornell）和 B. Wiik（DESY）提出。

其中第一个项目使用常温射频加速结构，而 TESLA 则使用超导加速器技术。第一届国际直线对撞机研讨会于 1988 年在 SLAC 举行。

2004 年 8 月，国际技术推荐专家组（ITRP）向 ICFA 正式推荐未来 TeV 级正负电子直线对撞机采用超导（SC）技术，专家组成员如下：

亚洲：Gyung-Su Lee，Akira Masaike，Katsunobu Oide，Hirotaka Sugawara
欧洲：Jean-Eudes Augustin，Giorgio Bellettini，George Kalmus，Volker Soergel
北美洲：Jonathan Bagger , Barry Barish (Chair)，Paul Grannis，Norbert Holtkamp

2004 年 8 月，在中国科学院高能物理研究所（IHEP）举行的 ICFA 会议上宣布了未来直线对撞机的正式名称为国际直线对撞机（ILC）。2007 年 2 月，在 IHEP 召开的 ILC 国际研讨会期间（我是本次会议主席之一），ILC 国际设计团队（GDE）责任人 B.Barish 代表 GDE 发布了 ILC 参考设计报告（RDR）和 ILC 500GeV 造价。2013 年 6 月，ILC 技术设计报告（TDR）正式发布，ICFA 成立直线对撞机合作 LCC，包括 ILC 和 CLIC，Lyn Evans 被任命为 LCC 负责人。2012 年 7 月希格斯玻色子被发现后，2017 年日本 HEP 界提出 ILC 250GeV 作为亮度为 1.3*10³⁴cm^-2s^-1的希格斯工厂，如图 29 所示，并获 ICFA 的支持。2020 年 2 月，ICFA 基于日本政府的意见发布了关于 ILC 的声明，并主导成立一个了 ILC 国际开发团队（IDT），为 ILC 的建设进行准备。至于 CLIC，它仍然是一个 CERN 未来战略发展的可选项目之一。

图29. ILC 布局图

自 2005 年以来，中国科学家一直参与 ILC 国际合作，致力于 ILC 参数优化设计、直线对撞机束流动力学研究、阻尼环设计、ILC-ATF2 的最终聚焦问题、1.3GHz 超导技术研发和极化正电子源等，如参考文献 [21] 所示。

6. 强子-强子对撞机

根据 L. Evans 的报告 [6]，1974 年，在随机冷却原理 CERN 的 ISR 加速器上得到了第一次实验验证。Rubbia 等人随即提出在 SPS 进行正反质子束流对撞实验，并于 1981 年实现了在 SPS 的第一次对撞，同时，在加速器物理方面获得了诸如射频噪声的重要性、束内散射、束束相互作用等方面的重要经验。

在欧洲核子研究中心的 SppbarS 之后，一个更大的，周长为 6.3 公里的正反质子对撞机 Tevatron，于 1987 年在费米国家加速器实验室建成并运行，这是世界上第一台超导对撞机，具有 1.8TeV 的质心对撞能量，这一最高纪录一直保持到 2009 年它才被欧洲核子研究中心的大型强子对撞机 LHC 超越。

作为强子-强子对撞机历史的一部分，人们不应忘记美国的超导超级对撞机 SSC，它于 1987 年启动并于 1993 年下马。SSC 主要参数如下：

    · 周长 87 公里；
    · 20TeV 束流能量；
    · L = 10³³cm^-2s^-1;
    · SCC 在完成 14 英里的隧道掘进并花费 20 亿美元后被美国国会停止。

作为 SSC 的竞争对手，大型强子对撞机 LHC（图 30）的规划、建造和投入运行时间表如下 [6]：

初步概念研究	1984
第一个磁铁模型	1988
开始结构研发计划	1990
CERN 理事会批准	1994
部件生产产业化	1996-1999
土建工程开始	1998
主要采购合同的裁决	1998-2001
在隧道中开始安装	2003
隧道内安装超导磁铁	2005-2007
第一扇区功能测试	2007
带束流调试	2008
对撞物理实验	2010-2035

图30. LHC 布局图

大型强子对撞机影响最深远的科学成就是 2012 年 7 月 4 日宣布的希格斯玻色子的发现，希格斯粒子的发现打开了通向未知宇宙的大门，希格斯粒子时代到来了。

作为 LHC 之后的未来强子强子对撞机，中国科学家和 CERN 提出了周长为 100 公里的 SppC [12-15] 和 FCChh [16]。SppC，如图 31 所示，将安装在 CEPC 的同一隧道中，其基准设计是使用 12 Tesla 铁基高温超导二极磁铁，SppC 具有 2 个探测器，对撞的质心系能量为 75TeV，每个对撞亮度为 10³⁵cm^-2s^-1。

图31. CEPC 和 SppC 隧道截面和 SppC 布局图

7. 电子质子对撞机

作为世界上第一台电子质子对撞机，HERA，周长 6.3 公里，电子束能量 30GeV，质子束能量 820GeV，每个对撞点的亮度为 1.5*10³¹cm^-2s^-1。在 1991 年至 2007 年在 DESY 投入运行，如图 32 所示。需要注意的是，在 HERA 上，电子和质子束首次在对撞机中纵向极化。在项目管理方面，HERA 采用了国际贡献模式，即所谓的“HERA模式”[11]，这一模式对 ILC 的理念产生了重要影响，以及未来的其他国际合作项目。

图32. HERA 布局图

8. 电子离子对撞机

2020 年 1 月，美国能源部批准了将在美国布鲁海文国家实验室 BNL 建造的电子离子对撞机，eRHIC（改称 EIC）的 CD0，EIC 的电子束能量为 20GeV，质子（离子）能量为 325GeV，亮度为 1.4*10³³cm^-2s^-1， 如图 33 [11]。

图33. eRHIC 布局图

9. 缪子对撞机

至于轻子希格斯工厂，还有一种方案，就是所谓的 μ 子对撞机，如图 34 [22-23]。μ 子对撞机与环形或直线正负电子对撞机相比，其特点是它具有更小的机器尺寸和更高的能量范围，即几十 TeV。但从技术成熟度上讲，μ 子对撞机还需要更多的持续时间更长的关键加速器技术研发，如强大的质子超导直线加速器技术、μ 子生产靶、6 维相空间 μ 子束冷却等。μ 子对撞机参数如表 2 所示。

图34. μ 子对撞机布局图

表2. μ 子对撞机参数表

10. 离子对撞机

NICA 是杜布纳联合核子研究所 (JINR) 的一个离子对撞机项目，如图 35 所示 [24]。NICA 的科学目标是相对论核物理学；中高能范围的相互作用粒子的自旋物理及放射生物学。2016 年 3 月 25 日 NICA 正式开工建设，2022 年全面竣工。

图35. NICA 布局图

NICA 的加速器 [24] 包括一个 Nuclotron 和一个离子对撞机。NICA 加速器系统中最主要加速器是 Nuclotron，它是磁刚度约为 42T·m 的超导离子同步加速器，配备两条注入链：用于重离子和轻离子注入。用于重离子的 NICA 注入链包括：离子源 (KRION-6N)、重离子直线加速器 (HILac)、超导同步加速器 (增强器) 和所需的束传输线。轻离子注入链包括：激光离子源 (LIS)、极化离子源 (SPI)、双等离子体管、RFQ 加速器作为前注入器、Alvarec 型漂移管直线加速器（LU-20）和所需的光束传输线。对撞机物理实验将在具有两个交叉点（IP）的两个存储环上进行，NICA 对撞机参数如表 3 所示。

表3. NICA参数表

11. 总结

粒子对撞机的发明为人类探索物质世界的基本构成、现象和规律提供了有效的实验工具。纵观我们的先驱者和当今科学家们通过不断的努力所创造的辉煌历史和文化，所获得的宝贵的科学知识与技术进步，我们相信人类文明进步的脚步不会停止，更强大、更先进的的粒子对撞机也会不断地成功建成，并在人类探索未知世界的过程中发挥其不可或缺的作用。

在本文中，我们回顾了不同种类的对撞机，至于正负对撞机和质子质子对撞机的加速器物理关键问题，它们在另一篇论文中进行了总结 [25]。■

致谢

作者感谢与 J.L. Xie（谢家麟）、J. Le Duff、J. Haïssinski、P. Marin、M. Davier、L. Evans、B. Barish、S. Kurokawa、V. Telnov、K. Yokoya、R . Brinkmann、N. Holtkamp、R. Ruth、T. Raubenheimer、J. Seeman、E. Levicheve、Y.F. Wang（王贻芳）、X.C. Lou（娄辛丑）、K. Oide、F. Zimmermann、F. Willeke、Y.H. Zhang (张裕宏）和 Anatoly Sidorin 的交流。

本文得到了以下经费支持：

(1) National Key Program for S&T Research and Development (Grant No. 2016YFA0400400);
(2) National Natural Science Foundation of China (NSFC): 11975252;
(3) Key Research Program of Frontier Sciences,CAS (Grant No. QYZDJ-SSW-SLH004).

参考文献

[1] J. Haïssinski,A historical account of the first electron-positron circular collider, in IHEP Seminar, Beijing, (9 October 2018).

[2] D.W. Kerst, F.T. Cole, H.R. Crane, L.W. Jones, L.J. Laslett, T. Ohkawa, A.M. Sessler, K.R. Symon, K.M. Terwilliger and N.V. Nilsen,Experiment on the limits of quantum electrodynamics，Phys. Rev. 102, 590 (1956).

[3] G.K. O'Neill,Storage-ring synchrotron device for high-energy physics research, Phys. Rev. 102, 1418 (1956).

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[7] 高杰, 高能粒子对撞机加速器物理与设计, 上海交通大学出版社，(2020 年).

[8] 高杰, 亚洲希格斯玻色子工厂的里程碑之年, 科学通报 (2018 年)，第 63 卷, 第 21 期, 2103-2106.

来源：数理人文，编辑：nhyilin