互动科普

大型强子对撞机将开启物理学的新纪元，把人类对原子内部基本粒子的探索，延伸到前所未有的高能状态。LHC的主环横跨瑞士和法国边界，科学家尽管还没有启动环中的首次高能粒子对撞，却已经在预研下一台大型粒子加速器了。国际直线对撞机（International Linear Collider，简写为ILC）就是粒子物理学界的一致选择。这台对撞机的长度将超过30千米，能够让非常接近光速的电子和正电子（positron）对撞在一起。（正电子是电子的反粒子，与电子质量相同，电荷相反。正电子又被称为反电子，拥有负电荷的电子也被称为负电子。）

ILC的威力将远远超过以往任何一台正负电子对撞机，让物理学家有能力深入研究LHC的任何一项新发现。LHC是为研究质子对撞而设计的。质子实际上由夸克和胶子组成。夸克是目前已知的、组成物质的最小微粒，胶子则是将夸克约束在一起的黏合剂。（在标准模型中，胶子是传递强相互作用的粒子。）由于夸克和胶子在质子内部不停地发生相互作用，质子和质子的对撞注定不会是“干净”的对撞。研究人员无法确定对撞时每个夸克各携带了多少能量，因此也就难以确定对撞产生的新粒子的性质。相反，电子和正电子本身就是基本粒子，因此利用正负电子对撞机从事研究的物理学家，可以非常准确地了解对撞时正负电子所携带的能量。这种性能将使ILC成为一个极其有用的工具，能够精确地测量新发现粒子的质量及其他性质（参见第42页插文）。

来自全世界300多个实验室和大学的1,600多名科学家和工程师，正致力于ILC的设计及探测器的研发，这些探测器将用来分析ILC中正负电子对撞的产物。2007年2月，我们设计小组公布了ILC的估计造价，约合 67亿美元（不包含探测器的成本）。我们已经比较了在三处不同地点建造ILC的造价，这些候选地点分别是：瑞士日内瓦附近的欧洲原子能研究中心（CERN）、美国的费米国家加速器实验室和日本某山区。我们还在为这个完全国际化的实验室设计切实可行的管理模式。虽然ILC的造价看上去有点吓人，但并不比LHC和ITER核聚变反应堆之类的大型科学工程昂贵多少。如果一切进展顺利的话，ILC会在21世纪20年代“照亮”粒子物理学的最前沿。

直线对撞机的由来

2005年8月，来自世界各地的600多名物理学家，齐聚美国科罗拉多州的斯诺马斯，讨论ILC的研发计划。不过这一计划的真正起点，可以追溯到1989年，当时CERN的大型正负电子对撞机（Large Electron-Positron collider，缩写为LEP）刚刚开始试运行。LEP在一个周长27千米的贮存环（storage ring）中加速正负电子，再让它们对撞，对撞能量可达180 GeV。不过很显然，LEP是同类加速器中规模最大的一个，今后也不会再建造更大的环形正负电子对撞机。原因很简单，要把正负电子加速到万亿电子伏特，达到所谓的万亿能标，需要建造一个周长几百千米的圆环，它的造价是任何机构都不可能承担得起的。

环形加速器的主要障碍是同步辐射（synchrotron radiation）：正负电子之类的较轻粒子在环中加速时，总是会遇到许多二极磁铁（dipole magnet）迫使它们转弯，每次转弯都会产生这种辐射，使粒子丢失一部分能量。因此，加速正负电子就会变得越来越困难，此类对撞机的造价将与对撞能量的平方成正比。也就是说，一台对撞能量比LEP大一倍的机器，造价会是LEP的4倍。（如果加速质子之类的较重粒子，能量丢失就不会那么严重；因此LEP的圆状隧道成了现在LHC的栖身之所。）

直线对撞机则是一个比较省钱的方案，它能避免环形加速器的那种同步辐射。在ILC的设计方案中，两个11.3千米长的直线加速器（linac）分别加速正负电子，让它们互相瞄准，在中间发生对撞。直线对撞机的缺点在于，正负电子从静止状态加速到对撞能量必须一次成功，不能像环形加速器那样一圈一圈逐渐累加。要达到更高的对撞能量，就要建造更长的直线加速器。直线对撞机的造价与对撞能量成正比，因此让它达到万亿能标所需的费用比环形对撞机便宜得多，这一优势是显而易见的。

在欧洲建造LEP的同时，美国能源部也在斯坦福直线加速器中心（SLAC）建造了一台与它竞争的对撞机，第一次把直线对撞机从概念变成了现实。这台机器用一个3千米长的直线加速器交替加速正负电子束团，使它们的能量达到大约50 GeV，再用磁铁使它们沿不同方向注入贮存环，加速对撞。这台对撞机从1989年一直运行到1998年，虽然只用了一个直线加速器，算不上是真正的直线对撞机，但它铺平了通向ILC的道路。

确切地说，万亿能标直线对撞机的设计规划工作，开始于20世纪80年代末到90年代初，当时物理学家提出了几个相互竞争的加速技术。随后10年里，科学家在不断完善该技术的同时，也将关注点集中在如何控制造价方面。2004年8月，由12名独立专家组成的小组对所有的技术进行了评估，最终决定采纳TESLA组提出的技术方案。TESLA组由德国汉堡电子同步加速器研究中心（DESY）领导，成员来自40多所大学和研究所。根据这套方案，正负电子将穿过一长串真空腔（cavity）。真空腔由金属铌（niobium）制造，冷却到极低温度时会产生超导现象，可以毫无阻碍地传导电流。超导现象能在真空腔内高效产生射频振荡强电场，振荡频率达到每秒十亿次。正负电子就在这种不断振荡的电场中加速冲向对撞点。

这种设计方案被称为超导射频（SCRF）。它的基本构造是一节节一米长的铌腔，由9个能够冷却到2K的腔室构成。8～9个铌腔首尾相连成一条直线，再浸入装满超冷液氦的冷却罐［即冷却模块（cryomodule），参见第43页插图］之中。ILC有两个直线加速器，每个需要大约900个冷却模块，一共就要用到大约16,000个真空腔。DESY的研究人员已经建造了10个冷却模块，其中5个目前被安装在DESY的自由电子激光装置FLASH上，这种装置利用高能电子辐射激光。DESY即将建造的欧洲X射线自由电子激光器（European X-Ray Free-Electron Laser，缩写为XFEL）也将采用超导射频技术，共需101个冷却模块，它们构成的超导直线加速器可以将电子能量加速到17.5 GeV.

如果每节真空腔能够产生更强的电场，ILC的直线加速器就可以造得更短，造价也将更加便宜。因此，设计组制定了一个富有挑战性的目标：改进超导射频系统，让粒子每前进一米就获得35 MeV（百万电子伏特）的能量。已经有几个原型试验腔达到甚至超过了这一目标，但是这种设备的大规模生产仍有困难。实现这一目标的关键在于，确保真空腔内一尘不染、完美无瑕。制作真空腔并安装到冷却模块的整个过程，都必须在洁净环境中完成。

ILC的实现之路

ILC设计小组已经确定了对撞机的基本参数（参见左图）。整台机器总长将达到31千米，主要由两个超导直线加速器组成，正负电子的对撞能量将达到500 GeV。（250 GeV的电子与250 GeV的正电子迎头相撞，就会产生质心能量为500 GeV的对撞。）ILC每秒将产生5次脉冲，每个脉冲持续1毫秒，能产生3,000个正负电子束团，使它们加速并发生对撞。每个加速器的平均束流功率约为1万千瓦。加速器将电功率转换为束流功率的总效率约为20%，因此两个加速器的耗电功率将达10万千瓦。

为了产生电子脉冲，ILC将用激光照射砷化镓靶标，每个激光脉冲可以打出数十亿个电子。所有电子的自旋方向都保持一致，这种性质被称为“自旋极化”（spin-polarized），对研究粒子物理学中的许多问题来说非常重要。这些电子将在一段较短的超导射频直线加速器中迅速加速到5 GeV，然后注入ILC中央一个周长6.7千米的阻尼环（damping ring）。电子在环中绕行并产生同步辐射，与此同时，电子束团被压缩，体积减小，电子密度增加，因此实际上增加了束流强度。

200毫秒后，电子束团离开阻尼环，每个束团的长度约为9毫米，直径比头发还细。为了提高加速性能，并在与正电子束团发生碰撞时取得最好的效果，电子束团将被进一步压缩到0.3毫米长。在这一压缩过程中，电子将被加速到15 GeV。随后，束团被注入长达11.3千米的超导射频主加速器，并被加速到250 GeV。

当电子在这个直线加速器中被加速到150 GeV时，这些粒子会拐个小弯，以便产生正电子束团。它们将被偏转到一个被称为“波荡器”（undulator）的特殊磁铁中，将部分能量转换为伽马射线辐射出来。这些伽马光子将被聚焦在一个每秒旋转1,000次的钛合金薄片上，产生大量正负电子对。正电子被收集起来，先加速到5 GeV，再注入另一个阻尼环，最终被送入ILC另外一侧的另一个超导射频主加速器中。一旦正负电子被加速到250 GeV，并迅速向对撞点汇聚，一系列磁透镜（magnetic lens）会把高能束团聚焦成扁平的带状束流，宽640纳米（十亿分之一米），高6纳米。对撞发生后，剩余的束团会被引导到束流收集器（beam dump）上，该装置可以安全地吸收正负电子，并耗散掉它们的能量。

ILC上的每个子系统都将挑战技术极限，面临重重工程难题。这台对撞机的阻尼环产生的束流品质，必须比现有电子贮存环高出好几倍。在整个压缩、加速和聚焦的过程中，束流的品质必须不受影响。这台对撞机必须采用精良的诊断系统、先进的调束工序和极为精确的准直技术。如何建造正电子产生系统，如何让纳米级束流瞄准对撞点，这些难题的攻克都需要科学家付出艰辛的努力。

建造一个能够分析ILC对撞结果的探测器也是一项挑战。举例来说，要想测量希格斯玻色子和其他粒子的相互作用强度，探测器就必须测量带电粒子的动量和它们的起始点，而且测量精度必须比以往的探测器高出一个量级。科学家正在研制新型径迹系统和量能器，以便在ILC上取得丰硕的物理学成果。

下一步

虽然ILC小组已经选定了对撞机的设计方案，但是还有更多的计划有待落实。今后几年内，LHC将采集和分析海量的质子对撞数据，我们也将努力优化ILC的设计方案，确保在合理的成本控制下，让这台正负电子对撞机获得最好的性能。目前，我们还不知道ILC将在哪里建造，地点的选择主要取决于哪个国家更愿意为此计划慷慨解囊。在最终选定之前，我们将继续对欧洲、美国和日本的候选地点进行综合分析。候选地点的地质结构、地形地貌和当地的法律法规，都会对建造方案的规划和造价评估产生影响。最终，ILC的许多设计细节都将取决于对撞机的确切建造地点。

无论如何，只要科学家在LHC中发现了值得进一步探索的最佳研究目标，现有计划都可以让ILC全力以赴接手后续研究工作。在从事技术设计开发的同时，我们还将创建ILC的管理模式，让参与项目的物理学家人人都有发言权。这个雄心勃勃的承诺，已经在ILC的概念提出和设计研发阶段的全球合作中实现，我们希望在对撞机未来的建造和运行过程中也能如此。