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环形正负电子对撞机《概念设计报告》正式发布

2017-11-30 10:32:00 栏目 : 科学探索 围观 : 评论

11月14日,环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider, CEPC)研究工作组正式发布CEPC 的两卷《概念设计报告》,分别是《概念设计报告——加速器卷》和《概念设计报告——探测器和物理卷》。在发布仪式上,中国科学院高能物理研究所所长、 CEPC 指导委员会主席王贻芳院士代表 CEPC 研究工作组, 正式公布CEPC《概念设计报告》。

CEPC团队、国际顾问委员会部分委员和《CEPC概念设计报告》国际评审委员会成员合影

来源:中科院高能所

2012年,中国高能物理学家提出 CEPC 计划并随即启动该项目的预研后,仅用两年多时间就发布了CEPC 的《初步概念设计报告》,随后顺利通过国际评审并获得积极评价。之后,CEPC 的设计和预研究团队又经过三年努力,取得里程碑式进展——正式完成《概念设计报告》并得到国际权威专家的肯定。

CEPC《概念设计报告》包含“加速器卷”“探测器和物理卷” 两卷。分别阐述了加速器和探测器的可行性设计方案,以及该项目的科学意义。同时也详细的评估了 CEPC 相对于大型强子对撞机 LHC 在科学上的优势。该报告内容包含了上千位科学家在过去六年中的研究成果。

CEPC《概念设计报告》的完成得到了广泛的赞誉和支持。

“我为 CEPC《概念设计报告》中的重要成就送上真诚的祝贺。这是CEPC 这样一个用于基础研究的大型科学装置的重要发展里程碑”,国际未来加速器委员会和亚洲未来加速器委员会主席、墨尔本大学 Geoffrey Taylor 教授这样说,“毫无疑问,国际高能物理界非常希望参加 CEPC 的研发和将来的科学实验,这将会大大促进对物质最基本组成单元的进一步理解。”

2017年诺贝尔物理学奖获得者、加州理工大学教授Barry Barish(领导LIGO实验发现引力波)祝贺说: “加速器的发展历史是实现越来越高的能量,并在过去几十年一直都是众多粒子物理重大发现所依赖的核心工具。而CEPC将延续这一伟大传统!我衷心祝贺CEPC 《概念设计报告》团队做了如此出色的工作。”

台湾大学教授、亚洲高能物理委员会主席侯唯恕代表亚洲高能物理委员会成员表达了祝贺:“我对 CEPC 研究团队投入时间和努力完成《概念设计报告》喝彩。这项工作的严肃性在全世界引起了越来越多的关注, 并为下一步的《技术设计报告》 和工程设计以及未来建设计划时间表的可行性奠定了良好基础。愿你们的毅力和努力结出硕果, 能让未来亚洲真正拥有占世界主导地位的高能物理大型科学装置。”

王贻芳指出: “CEPC概念设计报告的发表是一项重大成就。CEPC是一个大型国际科学项目,相信国际高能物理界能够共同努力, 实现CEPC的建设。”

CEPC机构委员会主席北京大学高原宁教授表示: “《概念设计报告》标志着我们完成了整个项目的加速器、探测器和土木工程的基本设计。下一步将重点关注CEPC关键技术和原型机的研发。希望今后能得到政府的积极回应 。”

新闻发布会现场

《概念设计报告第一卷——加速器卷》介绍了加速器整体设计, 包括直线加速器、阻尼环、增强器和对撞机。另外, 还介绍了低温系统、土木工程、辐射防护等一系列重要支撑设施,以及讨论了CEPC 升级的可能选项。

《概念设计报告第二卷——探测器和物理卷》展示了CEPC的物理潜力,介绍了探测器的设计概念及其关键技术选项, 重点对CEPC的探测器和物理做了深入评估, 并讨论了未来探测器研发和物理研究的初步计划。

在 CEPC 的建设之前,必须以《概念设计报告》为基础完成关键技术预研,项目团队计划于2018-2022年间建成一系列关键部件原型机,验证技术和大规模工业加工的可行性。CEPC 预期于“十四五”开始建设,并于2030年前竣工。

CEPC 初步实验计划是在质心能量240GeV处运行7年来研究希格斯玻色子,随后2年在91GeV 处运行用来研究 Z 玻色子和重味物理,另外计划一年时间在160GeV附近研究 W 玻色子物理。

CEPC 未来可能发展方向之一是升级为一个超级质子质子对撞机(Supper proton-proton Collider, SppC),质心能量将达到100 TeV,可以在大范围内直接寻找新的物理现象和物理规律。

CEPC是全球高能物理研究计划的重要组成部分,它的建成能够支持世界各地科学家进行广泛、深入的高能物理研究。通过全世界物理学家将共同努力,探索科学和技术的前沿,必将使我们对物质、能量和宇宙的根本性质的理解达到前所未有的新水平。

CEPC 背景介绍

2012年7月4日,在欧洲核子研究中心(CERN)的对撞机LHC上工作的超环面仪器(A Toroidal LHC ApparatuS, ATLAS)和紧凑缪子线圈(Compact Muon Solenoid, CMS)两个实验同时观测到了希格斯玻色子,其质量比预期要小,只有约125 GeV。

这一发现对下一代正负电子对撞机的发展具有关键指导意义——我们可以建造能量较低(只需要240GeV就可以大量产生)、实验环境更为干净、性价比更高的正负电子对撞机大量产生希格斯粒子从而对其进行系统研究,进而发现新的物理现象和物理规律。

中国高能物理学家于2012年提出高能环形正负电子对撞机(Circular Electron-Positron Collider, CEPC)计划,这一大型科学装置拟采用100千米周长的对撞机环形隧道,至少会有两台探测器同时进行科学实验。CEPC计划与国际稍早的国际线性对撞机(International Linear Collider, ILC), 紧凑型线性对撞机(Compact LInear Collider, CLIC),以及同时期的未来环形对撞机(Future Circular Collider, FCC) 项目处于竞争地位。

具体来讲,CEPC 由两大部分组成,分别是加速器和探测器。

加速器主要负责产生正负电子并加速,最终精确聚焦对撞、制造极端环境,产生具有科学研究价值物理事件,其主要组成部分是一个小型直线加速器,把正负电子的能量从零提升到10 GeV;随后是一个和对撞储存环同样长度的增强器,把正负电子的能量继续提高到研究所需的值,比如120、80或者45GeV;能量达到研究所需后,就会送入两个储存环(也称对撞机)进行对撞,对撞机会采用连续注入的术(Top-Up),可以持续保持最高效的实验条件;真实的对撞机还有大量其它辅助设备。

探测器原则上可以有多台,相当于具有可以高速、高精度拍照的立体显微镜,由多种不同子探测器组成,用来记录带电和不带电的各种微观粒子;同时,该“照相显微镜”也会采用最新的软件技术,与最新的大数据、机器学习等发展紧密相关。

在为期十年的实验计划中, CEPC将生产超过100万个希格斯玻色子、1亿 W玻色子和近 1万亿 Z 玻色子。W和 Z 玻色子是弱相互作用力的媒介子。在 Z 玻色子的衰变中, 还将生产出数十亿的底层夸克、粲夸克和陶轻子,这对于已有30年历史的北京正负电子对撞机和北京谱仪的研究是一个跨越式的升级和的历史的自然延续。

对于中国的高能物理来讲,这是一个绝佳的历史机遇,一方面,该方案可以进一步理解希格斯粒子的性质、宇宙早期演化、反物质丢失、寻找暗物质、真空稳定性等一系列未解的关键科学问题和寻找新的物理规律。另一方面,中国有通过努力建成自己的希格斯工厂和国际领先的“创新合作平台”,成为该领域全世界的领跑者。

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