1 粒子物理和标准模型,即北京谱仪实验
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标签: 探测器

5 小结

进入中科院高能物理所44年,张闯几乎参与了北京正负电子对撞机及其重大改造工程的全过程。“在世界上最权威的粒子数据表上,北京谱仪测量的数据超过1000项,每一项数据就是一项成果。可以说,粲物理领域的绝大多数精确测量都是北京谱仪合作组完成的。”张闯很骄傲,他和他的同行,见证了北京正负电子对撞机成就的粲物理领域30年领先。

环形正负电子对撞机谱仪和对撞区机械设计专题讨论会在高能所东莞分部召开,这也是CEPC综合探测器整体及对撞区附近的加速器系统的第一次正式联合讨论会。会议由娄辛丑主持,来自实验物理中心、加速器中心和东莞分部的15位专家到会,另有多位所内外专家通过视频参会,就CEPC预研项目的关键设计问题进行了讨论和规划。 会上,纪全汇报了CEPC谱仪初步设计进展,并建议探测器、MDI真空管及磁体等相关方面尽快确定边界和接口要求。梁志均、王海静和张国庆分别汇报了顶点探测器机械设计、对撞机区机械设计及轭铁的设计进展。与会人员讨论确定了后续研究交流计划。 电子对撞机,是一个使正负电子产生对撞的设备,它将各种粒子加速到极高的能量,然后使粒子轰击一固定靶。通过研究高能粒子与靶中粒子碰撞时产生的各种反应研究其反应的性质,发现新粒子、新现象。 对撞机又作为同步辐射装置,在凝聚态物理、材料科学、地球科学、化学化工、环境科学、生物医学、微电子技术、微机械技术和考古等应用研究领域取得了一大批骄人的成果。 利用同步辐射光对高温超导材料进行的深入研究;对世界上最大尺寸的碳60晶体以及在0.1-0.3微米X射线光刻技术的研究均取得重要突破;在微机械技术方面,制成了直径仅4毫米超微电机,这种电机将能在医疗、生物和科研等方面有独特的用途。目前世界上已建成或正在兴建的对撞机有10多台。

针对CEPC 项目的物理潜力及其所需的各项关键技术,CEPC 工作组进行了积极的预备研究,并于2018 年11 月份发布了《概念设计报告》。该设计报告是CEPC 项目的初步设计蓝图,它不仅全面验证了CEPC 项目的可行性,同时明晰了未来重点研究的方向。CEPC 工作组将继续深入进行相关预备研究,预期将在5 年内完成《技术设计报告》,一经完成,CEPC 项目即可进行建设。在最乐观的情况下,CEPC 将于2030 年左右建设完毕,并开始取数。

为牵头大科学计划树立规范

对撞机上物理事例的产率是其反应截面和对撞机亮度的乘积。换言之,亮度体现了Higgs 工厂的生产率和总产量。对环形正负电子对撞机而言,在限制了同步辐射总功率的情况下,其亮度随质心能量的3 次方压低;而直线对撞机原则上不受同步辐射总功率的限制,其亮度随质心能量缓慢增加。因此,就亮度而言,环形正负电子对撞机在较低的质心能量上占优;而直线对撞机则在高能区占优,如图4 所示。同时,直线对撞机上仅有一个对撞点,而环形对撞机上则可同时拥有多个对撞点,意味着环形对撞机上可同时运行多个探测器、进行实验取数。由于Higgs 粒子的质量是125 GeV,质心能量为240—250 GeV的正负电子对撞即可有效产生Higgs 粒子。在这个能区,环形正负电子对撞机相对于直线对撞机有亮度上的优势。

除了2004年至2008年进行的重大改造工程以及每年的检修时间,在这个地下的庞然大物里,正负电子几乎一刻不停地对撞,产生各种粒子事例,由布设在对撞区周围的谱仪捕捉,再由科学家初选出事例、进行物理分析。

图10 CEPC主环上的低温单元设计图。整个系统利用液氦冷却稳定在2 K的低温,以保持650 MHz超导高频腔正常工作

在粒子物理领域存在三个研究前沿,分别是高能量前沿、高强度前沿、宇宙学前沿,北京正负电子对撞机处于高强度前沿,另外两端分别有大型强子对撞机、国际直线对撞机、未来环形对撞机等和高山宇宙线、空间探测器、望远镜等。

13] Wang D L,Zhang Z,Zhang X P et al. First performance test of 30 mm iron-based superconductor single pancake coil under 24 T background field. Superconductor Science and Technology,2019,in press. https://doi.org/10.1088/1361-6668/ab09a4

“正负电子不断对撞,科学家获取分析对撞产生的大量事例,看其中是否可能有一些稀有现象,披沙拣金一般,各种新粒子都是这样现身的。”张闯说。

虽然标准模型取得了巨大成功,它本身却很难被认为是一个终极理论。在对撞机实验之外,标准模型无法解释一系列极为重要、极为基本的自然之谜,比如暗物质、暗能量、真空能、宇宙暴涨及演化、宇宙中物质的正反不对称性等一系列和宇宙演化相关的基本问题。另一方面,标准模型导致了一系列的理论疑难。比如,标准模型中的顶夸克和电子在质量上相差30 多万倍,而在标准模型看来,这两者的质量起源是完全一致的——这是很难让人信服的。在标准模型的面纱下,必然隐藏着大自然更深邃、更优美的奥秘1,2]。

在粲物理领域,绝大多数精确测量都是北京谱仪合作组完成的。

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“但最好能尽快挺进高能量前沿。”他补充。较量不可避免,“除了欧洲的FCC,日本还可能要做ILC,国际上既有合作、也有竞争。当然,希望下一代最强对撞机依然在中国。”张闯笑说。

1 粒子物理和标准模型

站在极广大和极幽微的端点,物质结构研究尺度不同。张闯的讲述中,在20世纪初,人类认识的世界小到10的-10次方米的原子,大到10的11次方米远的行星。到1930年代,这个范围扩大到原子核和恒星。到了2000年,依托大科学装置,人类的视野深入到10的-18次方米的夸克、扩展到10的25次方米远的浩瀚太空。对物质结构的探索是人类一步步走出洞穴的过程。

7]

近几年,关于中国是否要建造环形正负电子对撞机的争论持续进行。去年底,两卷本的环形正负电子对撞机《CEPC概念设计报告》正式发布。前几天杨振宁在公开演讲中重申反对建设的观点,再次将争论摆上台面。

图5 模拟产生的CEPC上的Higgs 事例

它将来会不会寿终正寝?张闯很坦然:我们的优势还会保持十年以上,这十年要继续做实验,比如继续研究轻强子谱和新强子态等,根据实验结果,看是否需要进一步提高性能。

国际上硅径迹探测器技术快速发展,而国内由于起步较晚且由于存在抗辐照工艺禁运等问题,在技术水平方面与国外前沿存在明显差距。以笔者所在的中国科学院高能物理研究所为例,近年来针对先进光源同步辐射探测、成像的需求,利用国内厂商提供的CMOS工艺,成功研制前端读出电子学ASIC 芯片,主要性能已接近国外同类产品。与国内研究所设计、制作的硅像素传感器集成,逐渐开发出符合设计指标的整机系统。此外,还积极参与LHC实验探测器升级,通过国际合作的方式,努力打破技术禁运的同时通过参与实际研发项目提高硅径迹探测器设计水平。所参加的ATLAS实验硅微条径迹探测器升级课题所需经费部分已经得到国家重点研发计划支持。与此同时,基于已有设计经验,我们也在自主研制高性能的集成式硅探测器,满足未来对撞机实验的需求,并积极拓展应用范围。伴随着国家对于半导体工艺的持续投入,将有机会更多尝试国内工艺厂商提供的工艺,研制高性能的硅径迹探测器,走向国际前沿。

这来源于北京正负电子对撞机的卓越性能。“1988年10月16日对撞成功,运行30多年。对撞机是经过几代人的努力做出来的,我们这一代曾面临康奈尔大学的挑战,对方把能量降下来和我们竞争,一时间超过了我们,我们做了重大改造,在世界同类型装置中继续保持领先地位。”张闯说。2004年改造以前,对撞机以一对束团,每秒对撞约一百万次,2008年完成改造后,它成为目前的双环结构,约100个束团,每秒对撞约一亿次,加上其他性能的提升,亮度比改造前提高了100倍。

相对于环形对撞机,直线对撞机有两个突出的优点。第一,直线对撞机的质心能量基本同对撞机长度成正比,相对于环形对撞机,可以相对简单地提高其质心能量,在现有技术下质心能量原则上可以比环形正负电子对撞机提高近一个量级;第二,直线对撞机上原则上可以实现对撞粒子的纵向极化,这对很多物理测量是有优势的。在这个意义上,环形对撞机和直线对撞机拥有相当的互补性。

天安门广场向西约15公里,形似一只羽毛球拍的北京正负电子对撞机大部分结构由北向南卧在地下,它由一台长202米的直线加速器、一组共200米长的束流输运线、一台周长240米的储存环加速器、一座高6米重700吨的大型探测器“北京谱仪”和14个同步辐射实验站等组成。

8]

来自全世界14个国家、64所研究机构的400多名科学家,每天都可以在世界各地点开这个页面,看到两条曲线。

2)研制的国内第一个高场超导二极磁体,在4.2 K、两个孔径内最高磁场达到了10.2 T;

超高能研究必须对撞

2 Higgs 粒子工厂:强子Vs 正负电子,直线Vs环形

令人惊喜的是,接受采访时,苑长征表示最近有一个重要发现:北京谱仪Ⅲ合作组发现正负电子对撞中兰布达超子存在横向极化,合作组利用2009年和2012年采集的13亿粲偶素数据,选出了纯度高、质量好的42万事例,发现由此产生的兰布达超子存在高达25%的横向极化。这项成果刚在英国《自然·物理》杂志刊出。

正负电子对撞机是极有吸引力的、高精度的Higgs 粒子工厂。国际高能物理学界普遍认为,建造正负电子Higgs 工厂是未来高能物理对撞机实验发展的必由之路,并倡议了多个正负电子Higgs 工厂技术方案。这些方案中包括了欧洲核子中心倡议的未来环形对撞机3]和紧致直线对撞机4],可能被建设于日本的国际直线对撞机5],以及由我国高能物理学界提议的环形正负电子对撞机6—8]。这些被倡议的正负电子Higgs 工厂可以被分为两大类:直线对撞机和环形对撞机。前者包括CLIC和ILC,后者包括FCC和CEPC。

“如果不对撞,而是用电子束打静止靶,产生的有效的相互作用能量要小得多。1954年,著名的物理学家费米提出建造质心能量为3TeV的高能加速器,按当时的技术,采用打静止靶的方案,需要加速器的半径达到8000公里,比地球还要大;而欧洲强子对撞机的半径只有4.3公里,就达到了13TeV的质心能量,所以超高能研究一定要让两个束流进行对撞。”张闯说,但是束流对撞要求粒子多、截面积小、频率高,才能获得足够高的对撞亮度,因此难度也大得多。

由我国高能物理学界倡导的CEPC 项目拥有巨大的物理潜力。它是高精度的Higgs 粒子工厂,其预期精度超过高亮度LHC 的极限精度达一个量级;在电弱精密测量方面,CEPC 的预期精度将超过现有水平一个量级以上。同时,CEPC 可通过味物理和QCD 精确测量对标准模型进行全面、细致的验证。CEPC 的后续升级——超级质子对撞机,可以在比LHC高一个量级的质心能量下,对超出标准模型的新物理现象进行直接探索。因其在科学上的巨大意义,CEPC 项目得到了国内外高能物理学家的高度赞赏、积极参与和大力支持。

在亿万粒子中找不同

大型对撞机和探测器是需多种尖端技术支持的综合系统,是工业皇后皇冠上的明珠。CEPC的加速器系统包括有电子/正电子源、直线加速器、超导高频、高效率速调管、大功率电源、磁铁、低温、冷却、真空、准直、束流测量、辐射防护、控制、机械、对撞区等数十个核心子系统。而CEPC 的探测器则由高精度顶点—径迹系统、量能器、磁铁—轭铁子系统组成,同时包括有配套的机械、准直、冷却、电子学、数据存储和处理系统。同时,CEPC 工作组对对撞机和探测器的设计、优化、关键技术攻关、物理及工程样机的制备均进行了大量的工作,在子系统研究方面取得了大量进展。

高能物理所研究员、北京谱仪III发言人苑长征介绍说,北京正负电子对撞机是一台高能加速器,它提供的正负电子束流主要做两件事:一是高能物理实验,即北京谱仪实验,产出了一系列重大成果;二是同步辐射应用研究,也就是利用对撞时产生的同步辐射光供诸多学科领域开展研究,每年有大约500多个实验在这里完成。

高效速调管是CEPC 所需的另一个关键技术。速调管产生大功率微波,并以其在高频系统中建立起强电场,以加速粒子束团。目前,百千瓦量级的连续波速调管功率仅在60%,也就是说有近一半的能量将在速调管部分损失。因此,CEPC 项目开展了高效速调管的研究,可使速调管的输出功率和工作效率提高到800 kW及80%以上。为达到这一目标,研制中,不仅在关键技术上有着新的突破,还将提出新的理论和方法。速调管作为最重要的微波电真空器件之一,不仅用于加速器领域的大科学工程,在国防科技和工业领域也有非常广泛的应用,如雷达、通讯广播等。

“有争论很正常。”张闯不假思索,“但科学研究会找到自己的方向,比如我们的对撞机继续向前走,有需要可能再改造。如果暂时不能做高能量前沿,还可以做高强度前沿。如果因为经费或者技术原因不能做,可以等将来成熟了再做。”

3 概念设计报告:CEPC 离我们有多远?

张闯打开电脑,进入对撞机的显示页面,屏幕上两条曲线沿时间轴向前推移,一条代表正电子流强的红线,一条代表负电子流强的蓝线,高点约在600毫安,大概一小时后,两条线匀速降至低点,约450毫安,这代表粒子数量越来越少,控制室的工作人员操作按键,注入正负电子,曲线抬头,继续每秒一亿次的对撞。

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张闯研究员展示了一张漫画,两只小松鼠站在机器的两头,手中各拿着一个核桃,“把核桃往地上扔可能打不开,但让两个核桃高速对撞可能就能撞开。我们实际上就是要把粒子对撞打开,看里面是什么东西。速度越快、撞得越碎,越可能有所发现。”他用这个例子解释了“为什么要对撞”。

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“从1989年开始实验起,就建立起北京谱仪合作组,这个合作组三十年来一直在一起做实验,是很不容易的。”张闯说,这套由中国牵头的国际重大科学装置的合作规则,也是北京正负电子对撞机的宝贵经验,为后来者做出示范。

图6 2013 年CEPC—SPPC项目启动会合影

7]

高场高温超导磁体在能源、运输、军事等方面均具有不可估量的作用。通过高温超导磁体的研究,人们希望能够将其性能提升10 倍、造价压缩10 倍,达到大规模量产和应用的程度。CEPC—SPPC 加速器周长100 km,其建设需要成千上万个超导磁体,因此未来高能量粒子加速器的建设,对超导材料的性能及造价都提出了挑战。

在人类目前已经建立的正负电子对撞机中,大型正负电子对撞机是在质心能量和对撞机尺度上最接近CEPC 的。LEP 是LHC 的前身,它于1989 年至2000 年运行在位于日内瓦的欧洲核子中心。LEP 上产生了数以千万计的Z 粒子和大量W粒子,对标准模型中的电弱可观测量进行了非常精确的测量。2001 年,LEP 开始进行到LHC 的升级, 后者于2009 年开始对撞, 并在2012年宣布了Higgs 粒子的发现。

本文选自《物理》2019年第3期

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图8 CEPC上的基线探测器剖面图

相比于强子对撞机,基于正负电子对撞机的Higgs 粒子工厂具有巨大的优势。正负电子是标准模型下的基本粒子,这意味着正负电子对撞机的初态是精确可知且可调的。在合适的对撞能量下,每100—1000 次正负电子对撞中就会产生一个Higgs 粒子事例,其信噪比比强子对撞机提高了一亿倍。在先进的探测器系统的支持下,几乎所有的正负电子Higgs 工厂上的信号事例都可以被甄别、记录。除此之外,正负电子Higgs 工厂还可以对Higgs 粒子性质进行模型无关的精确测量。正负电子Higgs 工厂可将Higgs 粒子性质测量到0.1%—1%的相对精度,超出LHC的极限精度达一个量级。

4 CEPC 对高精尖技术的依赖和推动

图7 CEPC对撞机系统主要结构

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