揭示宇宙及其演化的基本規(guī)律是人類的一項(xiàng)偉大事業(yè)。在粒子物理學(xué)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最有效方法是通過強(qiáng)大的高能加速器。2012 年7 月，歐洲核子研究中心(CERN)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量約為125GeV的希格斯玻色子，為我們打開了一扇通往宇宙未知領(lǐng)域的大門。希格斯玻色子不僅是標(biāo)準(zhǔn)模型(SM)的核心，也是許多謎團(tuán)的中心。這些謎團(tuán)包括弱尺度和普朗克尺度之間的巨大能差、電弱相變的性質(zhì)、質(zhì)量的起源、自然性問題、真空的穩(wěn)定性，以及標(biāo)準(zhǔn)模型之外有關(guān)自然的許多其他相關(guān)基本問題，如物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱的起源和暗物質(zhì)的性質(zhì)。

對希格斯玻色子性質(zhì)的精確測量，是探索標(biāo)準(zhǔn)模型及其他基本物理原理的探針。為此，2012 年9月，中國科學(xué)家提出了由中國來主持的作為國際性的大科學(xué)項(xiàng)目：環(huán)形電子-正電子對撞機(jī)(CEPC)和超級質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)(SppC)，面向粒子物理的宏偉目標(biāo)，并與直線對撞機(jī)和μ子對撞機(jī)互為補(bǔ)充。大約在同一階段，歐洲核子研究中心(CERN)的物理學(xué)家們提出了正電子-電子(e+e-)和強(qiáng)子-強(qiáng)子未來環(huán)形對撞機(jī)(FCC)。

圖1 未來環(huán)形對撞機(jī)示意圖

從那時起，全球高能物理界就將e+e-希格斯工廠作為大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)之后的下一個對撞機(jī)的重要性達(dá)成了共識。在歐洲，2020 年更新的歐洲粒子物理戰(zhàn)略認(rèn)為建造希格斯工廠具有最高優(yōu)先級，而美國Snowmass2021 領(lǐng)域規(guī)劃研究和隨后于2023 年12 月發(fā)布的P5 報告也強(qiáng)調(diào)了海外希格斯工廠的重要性。CEPC的科學(xué)家也為上述兩項(xiàng)戰(zhàn)略研究作出了積極貢獻(xiàn)。同時，日本在2012 年提出了建造國際直線對撞機(jī)(ILC)希格斯工廠的建議，并于2017 年提出了新的基線設(shè)計(jì)，即從250 GeV而不是500 GeV 的對撞能量開始。在中國，于2013 年和2016 年召開的第464 次和第572 次香山科學(xué)會議的結(jié)論均認(rèn)為“CEPC 是國家發(fā)展以加速器為基礎(chǔ)的高能物理計(jì)劃的最佳途徑和重大歷史機(jī)遇”。2023年，在中國科學(xué)院的戰(zhàn)略規(guī)劃研究中，CEPC被評價為未來最重要的粒子加速器。在此之前，國際未來加速器委員會(ICFA)于2022 年4 月發(fā)表聲明：“再次確認(rèn)了希格斯工廠作為實(shí)現(xiàn)粒子物理科學(xué)目標(biāo)重中之重的這一重要國際共識”，并表示支持世界各地的希格斯工廠提案。在2018 年11 月發(fā)表CEPC 概念設(shè)計(jì)報告(CDR)5 年后，CEPC 加速器的技術(shù)設(shè)計(jì)報告(TDR)現(xiàn)已完成，該報告長達(dá)1000 多頁，是國際上第一個基于環(huán)形對撞機(jī)的希格斯工廠的技術(shù)設(shè)計(jì)報告。

CEPC 是一個環(huán)形希格斯工廠，它由四個加速器組成：一個30 GeV 的直線加速器、一個1.1 GeV的阻尼環(huán)、一個能量高達(dá)180 GeV 的增強(qiáng)器，以及一個在四種不同能量模式下運(yùn)行的對撞機(jī)，質(zhì)心能量分別對應(yīng)ZH產(chǎn)生(240 GeV)、Z極(91 GeV)、W+W-(160 GeV)和(360 GeV)。這些加速器由10 條傳輸線連接。直線加速器和阻尼環(huán)將建在地表，而增強(qiáng)器和對撞機(jī)將建在周長為100 千米的地下環(huán)形隧道中，并為以后的強(qiáng)子對撞機(jī)SppC預(yù)留寬度空間。

0 1 聚焦CEPC

CEPC 對撞機(jī)采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，電子束和正電子束在不同的束管中以相反的方向循環(huán)，并在將安裝大型探測器的兩個相互作用對撞點(diǎn)發(fā)生對撞。100千米周長的全能量CEPC增強(qiáng)器位于同一隧道中對撞機(jī)上方的隧道頂部，具有同步加速器的功能，其注入能量為30 GeV，引出能量等于束流對撞能量。為了保持恒定的亮度，將采用補(bǔ)充注入的方式。1.8千米長的直線加速器是增強(qiáng)器的注入器，利用S 波段和C 波段射頻加速系統(tǒng)對電子和正電子進(jìn)行加速，并配備一個阻尼環(huán)以減少正電子發(fā)射度。作為一種備選，極化束流方案也在研究之中。

圖2 進(jìn)入地下：CEPC 布局(a) 和采用鉆爆法的隧道橫截面(b) ，顯示外側(cè)為SppC 環(huán)和低溫模塊( 綠色和紅色) ，內(nèi)側(cè)為CEPC 增強(qiáng)器( 紫色) 和對撞機(jī)環(huán)( 藍(lán)色)

CEPC的后續(xù)項(xiàng)目將是SppC，這是一個質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)，其對撞質(zhì)心能量高達(dá)125 TeV。地下隧道將建在堅(jiān)硬的巖石中，并將使用隧道掘進(jìn)機(jī)或鉆爆法進(jìn)行挖掘，隧道寬度可在不拆除CEPC的情況下安裝SppC。除了CEPC的e+e-和SppC的質(zhì)子-質(zhì)子和離子-離子對撞物理實(shí)驗(yàn)之外，這種獨(dú)特的布局還為電子-質(zhì)子和電子-離子對撞物理提供了令人興奮的長期可能性。此外，CEPC 還將配置兩條伽馬射線光束線，作為高能同步輻射光源運(yùn)行，將可用的同步輻射頻譜擴(kuò)展到前所未有的能量(從100 keV到超過100 MeV)和亮度范圍。作為注入器的30 GeV直線加速器還可以通過增加一個波蕩器產(chǎn)生高能X射線自由電子激光。

0 2 目標(biāo)計(jì)劃

CEPC的物理目標(biāo)和運(yùn)行計(jì)劃遵循“10-2-1-5”計(jì)劃，即10 年作為希格斯工廠，2 年作為Z 工廠，1年作為W工廠，并有可能在

能量下再運(yùn)行5 年。四種對撞模式(對應(yīng)于H、Z、WW和生產(chǎn))的同步輻射功率基線為每束30 兆瓦。CEPC 還考慮通過將每束同步輻射功率提高50 兆瓦來升級亮度，使240 GeV 時的亮度達(dá)到8×1034 cm2s-1。根據(jù)亮度升級計(jì)劃，兩個CEPC 探測器將產(chǎn)生430 萬個希格斯玻色子、4.1 萬億個Z 玻色子、2.1 億個W玻色子和60萬個對。 CEPC 概念設(shè)計(jì)報告完成后，加速器進(jìn)入了為期五年的TDR研究階段，在此期間對設(shè)計(jì)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。最終TDR 報告于2023 年12 月25 日發(fā)布，強(qiáng)調(diào)了最高亮度、H、Z、W和能量的覆蓋范圍，以及技術(shù)研發(fā)、土木工程設(shè)計(jì)、國際合作和工業(yè)參與的全部內(nèi)容。

在磁聚焦結(jié)構(gòu)采用了較小的發(fā)射度以提高亮度，動力學(xué)孔徑(包括四種能量的各種誤差)符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，束-束相互作用和集體效應(yīng)已得到檢驗(yàn)，在對撞點(diǎn)采用了直徑為20 厘米的中央鈹管，對機(jī)器-探測器接口進(jìn)行了優(yōu)化。增強(qiáng)器采用了理論上最小發(fā)射率的磁鐵聚焦設(shè)計(jì)，注入能量提高到30 GeV，引出能量高達(dá)180 GeV。

CEPC加速器的技術(shù)研發(fā)工作與高能所正在建造的第四代6 GeV 高能光源項(xiàng)目(HEPS)協(xié)同進(jìn)行。這些研發(fā)活動涵蓋了對撞環(huán)和增強(qiáng)器磁體、對撞區(qū)超導(dǎo)四極鐵、NEG涂層真空盒、超導(dǎo)低溫模組、低溫系統(tǒng)、連續(xù)波長高效速調(diào)管、磁體電源、機(jī)械、S波段和C 波段直線加速器和正電子源、阻尼環(huán)、束測和反饋、控制系統(tǒng)、校準(zhǔn)測量和準(zhǔn)直安裝、輻射防護(hù)和環(huán)境等方面。

舉三個例子：首先，CEPC 1.3GHz 8×9 單元腔低溫模組的品質(zhì)因數(shù)/加速梯度達(dá)到3.4×1010/23MVm-1，超過了增強(qiáng)器的設(shè)計(jì)指標(biāo)(見圖3(a))。其次，CEPC 650 MHz單腔在2K時經(jīng)過電拋光處理達(dá)到2.3 ×1010/41.6 MVm-1，經(jīng)過中溫處理達(dá)到6.3×1010/31 MVm-1。第三，高能所研發(fā)了三臺對撞環(huán)用650 MHz/800 kW 連續(xù)波高效速調(diào)管，其中第二臺速調(diào)管(圖3(b))在脈沖模式下達(dá)到849 kW輸出功率，效率達(dá)到77.2%(在連續(xù)波模式下800 kW的效率設(shè)計(jì)值為77%)。第三臺是多束速調(diào)管，設(shè)計(jì)效率目標(biāo)是80.5%，其電子源目前正在進(jìn)行測試。CEPC加速器TDR 所取得的成就也是通過大力推動CEPC產(chǎn)業(yè)促進(jìn)聯(lián)盟工業(yè)界參與和貢獻(xiàn)的結(jié)果。

圖3 CEPC 技術(shù)：高能所研制并測試的1.3 GHz 8×9 單元腔低溫模組(a) 和650 MHz 800 kW 連續(xù)波長高效速調(diào)管(b)

0 3 高能雄心

作為未來高能物理及其他領(lǐng)域戰(zhàn)略技術(shù)研發(fā)的一部分，CEPC 團(tuán)隊(duì)提出了另一種使束流能量從10 GeV到30 GeV的束流驅(qū)動等離子體注入器備選方案。為了研發(fā)和驗(yàn)證未來直線對撞機(jī)所需的等離子體加速器技術(shù)，如正電子加速、級聯(lián)加速和高品質(zhì)束流產(chǎn)生，高能所于2023 年9 月啟動了中科院資助的等離子體加速實(shí)驗(yàn)計(jì)劃(先導(dǎo)B)，利用BEPCII(亮度為1033 cm-2s-1@1.89 GeV e+e-對撞機(jī))的注入器直線加速器作為部分實(shí)驗(yàn)設(shè)施，總經(jīng)費(fèi)達(dá)9 千萬元人民幣。

SppC與CEPC相結(jié)合，不僅能提供前所未有的希格斯玻色子測量精度，還能探索新物理領(lǐng)域更大的區(qū)域，將我們對物理世界的理解推向新的高度。與希格斯粒子工廠相比，未來的強(qiáng)子對撞機(jī)成本更高，技術(shù)難度更大。在開始建設(shè)之前，必須充分解決高場(20 T 或更高)超導(dǎo)磁體、低溫環(huán)境中的同步輻射以及用于失超保護(hù)的精密束流準(zhǔn)直系統(tǒng)等關(guān)鍵問題。

SppC 將基于高溫鐵基超導(dǎo)體的高磁場磁體作為其主要技術(shù)發(fā)展途徑。與目前使用的NbTi/Nb3Sn 技術(shù)相比，該技術(shù)具有更高的磁場強(qiáng)度潛能(>30 T)和更低的成本，并在過去八年中與產(chǎn)業(yè)界合作共同取得了重大進(jìn)展。2016 年，制作了超過100米的鐵基“7 芯”超導(dǎo)導(dǎo)線，到2022 年，在10T 和4.2K下的電流密度達(dá)到了450 A/mm2。

圖4 增強(qiáng)器研發(fā)：CEPC 增強(qiáng)器的全尺寸二極磁鐵樣機(jī)

假設(shè)SppC有兩個對撞點(diǎn)，運(yùn)行時間為20~30年，預(yù)計(jì)每個對撞點(diǎn)的峰值亮度為1035 cm-2s-1，積分度約為30 ab-1。為了進(jìn)一步降低SppC 和CEPC 的能耗(在ZH能量下，同步輻射功率為每束30 兆瓦，總能耗為262兆瓦)，目前正在研究各種相應(yīng)節(jié)能措施。

從2019 年到2022 年，國際加速器評審委員會對CEPC的加速器技術(shù)設(shè)計(jì)報告階段預(yù)研工作進(jìn)行了指導(dǎo)。2023 年6 月和9 月，CEPC 加速器TDR 和成本國際評估在香港科技大學(xué)進(jìn)行，土木工程成本于2023 年6 月由國內(nèi)委員會評估。CEPC總造價預(yù)計(jì)為人民幣364 億元(約合51.5 億美元)，其中加速器、基礎(chǔ)設(shè)施和實(shí)驗(yàn)分別占人民幣190 億元、101 億元和40 億元。在所有CEPC 候選地點(diǎn)中，秦皇島、湖州和長沙三個候選地點(diǎn)已在TDR中進(jìn)行了研究。

2023 年10 月底，CEPC 國際顧問委員會(IAC)支持CEPC技術(shù)設(shè)計(jì)報告TDR國際評估的結(jié)論，即CEPC加速器團(tuán)隊(duì)已做好進(jìn)入工程設(shè)計(jì)報告(EDR)階段的充分準(zhǔn)備。11 月，CEPC-SppC 的提案在國際未來加速器委員會(ICFA)在德國DESY 召開的ICFA 研討會上報告，并宣告CEPC 加速器TDR 正式完成。

圖5 2023 年12 月25 日正式發(fā)布CEPC 加速器技術(shù)設(shè)計(jì)報告( 高能所)

關(guān)于CEPC 探測器的技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)狀，CEPC探測器團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開展了全方位的研發(fā)，包括頂點(diǎn)像素探測器、硅徑跡探測器、時間投影室和漂移室、飛行時間探測器、量能器、高溫超導(dǎo)螺線管磁鐵和探測器機(jī)械設(shè)計(jì)等。這些研發(fā)工作還得益于BESIII過去的經(jīng)驗(yàn)(特別是有關(guān)漂移室和超導(dǎo)磁體的經(jīng)驗(yàn))以及高亮度大型強(qiáng)子對撞機(jī)(HL-LHC)的ATLAS和CMS 探測器升級(如硅帶探測器和高粒度量量能器)。CEPC探測器TDR參考設(shè)計(jì)始于2024 年1 月，并將在CEPC EDR階段(2024 年~2027 年)內(nèi)于2025年中期完成。

0 4 EDR 和時間表

目標(biāo)是在2025 年左右將CEPC方案(包括加速器、探測器和工程設(shè)計(jì))提交中國政府選擇，希望在2027 年左右開工建設(shè)，在2035 年左右建成。加速器EDR 初步計(jì)劃已經(jīng)制定，將于2024 年由國際加速器審查委員會進(jìn)行評估。

關(guān)于CEPC的進(jìn)展，中國科學(xué)院正在規(guī)劃第“十五五”規(guī)劃中的大科學(xué)工程，并于2022 年成立了由中科院院長擔(dān)任主席的指導(dǎo)委員會。高能物理與核物理是中國科學(xué)院“十五五”規(guī)劃中的八大領(lǐng)域之一，目前已遴選出九項(xiàng)建議，并通過了公開的評審。CEPC 在各委員會(包括三個國內(nèi)委員會和一個國際咨詢委員會)評審中排名第一。最終報告已提交中國科學(xué)院審議。

CEPC 一直被作為國際合作大科學(xué)項(xiàng)目，歡迎國際科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的參與和合作。CEPC加速器TDR凝聚了數(shù)千名國內(nèi)外科學(xué)家和工程師多年的努力和心血。這一設(shè)施將在世界高能物理界的未來發(fā)展計(jì)劃中發(fā)揮重要作用，它將以前所未有的程度加深我們對物質(zhì)、能量和宇宙的理解，同時促進(jìn)廣泛的研究與合作，探索技術(shù)前沿。