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【科技导报】高杰:高能环形正负电子对撞机(CEPC)项目取得标志性进展
2018-09-28|文章来源:李娜 史永超 |【
 

  2018年9月2日,高能环形正负电子对撞机(CEPC)加速器概念设计报告(Conceptual Design Report, CDR)正式发布。负责这项报告的中国科学院高能物理研究所研究员高杰表示,这是CEPC项目重要的历史性和标志性进展。《科技导报》(以下简称《科》)就此采访了高杰(以下简称高)。

高杰:中国科学院高能物理研究所研究员,CEPC-SppC机构委员会副主席,CEPC-SppC加速器负责人,国际直线对撞机(ILC)理事会理事,亚洲直线对撞机指导委员会主席。(胡辰旭/摄)

  《科》:CEPC加速器概念设计报告正式发布了,作为该报告的负责人,请介绍一下加速器在对撞机中的地位。在整个设计过程中,你和同事们经历了什么样的方案选择过程?

  高:加速器是对撞机的核心系统,加速器系统加探测器系统构成完整的对撞机。2012年科学家发现了希格斯粒子,也就是所谓“上帝粒子”,它是宇宙标准模型粒子列表中曾经缺失的最后一个粒子。虽然都是基本粒子,但希格斯粒子的独特之处是,它除了可以给予其他标准模型中的基本粒子以质量,它还可能同宇宙目前未知的与质量有关的部分进行相互作用。所以我们要用希格斯粒子进一步探索未知的物质世界和宇宙,除了标准模型中所描述的物质世界,还将探索标准模型之外的物质世界,例如暗物质。

  在CEPC加速器的概念设计过程中,我们一直坚持一条清晰的设计思路和设计路线,即通过认真、扎实和创新性的研究,一步步逐渐走向确立和完成基准设计方案。为什么和如何选择了最终发布的这个基准方案?我们的目标是找到性价比最高的方案,因此,设计团队首先从单环对撞机开始摸起,对在设计过程中所遇到的物理与技术问题逐一进行细致的研究,当发现设计目标与所研究方案之间出现问题时,便及时提出新的设计思路和创新型设计方案,再进行研究、论证并找到各个方案所对应的制约因素和亮度极限。因此,在CEPC加速器概念设计报告阶段中历经了“单环麻花轨道方案”“带Crab-Waist对撞的局部双环、先进局部双环和全局部双环方案”。经过比对不同方案的亮度极限与设计目标,最终于2017年1月14日确定以“带Crab-Waist对撞的全局部双环方案”设计为基准设计,“带Crab-Waist对撞的先进局部双环”方案为备选方案。上述的研究过程和方案确定过程被记录在2017年4月发布的CEPC进展报告中。2017年11月4—5日对CEPC加速器概念设计报告进行了预国际评估,并在2018年6月28—30日进行了CEPC加速器概念设计报告进行了正式的国际评估。

  《科》:CEPC加速器的概念设计报告国际评估情况如何?

  高:CEPC加速器概念设计报告国际评估委员会由15名专家组成,主席是来自欧洲核子中心的Katsunobu Oide教授,他也是欧洲核子中心未来100千米周长的正负电子对撞机加速器设计负责人,其他来自世界各大实验室的评委也都是国际加速器领域的知名专家。

  我们的报告得到了国际评估专家的一致认可,评估委员会对CEPC设计工作中取得的令人瞩目的进展进行了肯定,并对概念设计报告的完成表示祝贺,认为“CEPC加速器概念设计报告已经达到成熟水平并可被批准进入技术设计报告阶段”。

  《科》:CEPC加速器概念设计报告正式发布,对于CEPC的研究和建设来说意味着什么?

  高:CEPC在概念设计报告完成前处于设计研究阶段,我们分别在2016年和2018年获得科技部支持的2期预研经费,每期均为3000多万元人民币。在科技部以及其他来源例如国家自然科学基金、中国科学院、北京市科学技术委员会和王贻芳院士科学家工作室等的经费支持下,CEPC预研和国际合作研究进展顺利。在CEPC概念设计期间,CEPC关键技术研究、CEPC土建设计及选址工作、国际合作、人才培养与队伍建立等方面均进展顺利。为了推进CEPC关键技术预研、产业化准备及促进CEPC预研中所产生的高新技术向相关企业进行技术转移,2017年11月7日成立了CEPC产业促进会(CEPC Industrial Promotion Consortium, CIPC)。CEPC加速器概念设计报告的正式发布是一项重要的历史性和标志性进展,这意味着我们可以进入下一个CEPC加速器技术设计阶段,也就是到2022年完成CEPC的技术设计报告(Technical Design Report, TDR)。届时CEPC加速器的优化设计、关键技术预研和产业化准备工作就完成了;如果CEPC能在完成TDR后获准建设,CEPC就可以开始施工开建,并于2030年左右建成。

  《科》:现在CEPC正在争取的建设路径是什么样的?

  高:2015年10月中国共产党十八届五中全会公报中提出,我国将“积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程”。2018年1月,习近平主席主持召开的中央全面深化改革领导小组第二次会议上审议通过了《积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程方案》;2018年3月,国务院正式对外颁布了这一方案。国家提出的积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程方案,这为像CEPC这样关于物质科学的大科学工程的培育、评估、审批和建设铺平了政策道路。按照方案部署,国家到2020年将培育3~5个大科学计划和大科学工程,待培育成熟之后再从中选择1~2个项目实施建设。目前,CEPC的首要目标是争取先进入培育阶段,并希望通过我们坚实的研究工作,最后能够进入实施阶段。

  《科》:能介绍一下对撞机选址的相关情况吗?

  高:现在到2030年是一个非常重要的战略机遇窗口期。为了保证工作顺利按照规划的节奏完成,每一步工作都设置了明确的时间节点,CEPC概念设计与选址工作一直在同步进行。

  具体到选址考虑的因素,首要的就是地质条件。建设大型对撞机要有好的地质基础,比如要有稳定的岩石,要能承受一定级数地震的烈度、震动频率和幅度,地下水的情况也得满足要求,要有充足的水、电力等资源;在满足地质条件的前提下,还需要有一个很好的社情环境,有利于建设一个10万人居住的高水平国际化科学城。我们目前已经考察了河北秦皇岛、陕西黄陵县、深汕特别合作区、浙江湖州、河北雄安地区,吉林长春等,并在地方政府的大力支持下在一些选址地进行了较为深入的地质勘探,这些选址地的地质条件完全满足工程建设要求。

  《科》:2018年年底日本将决定是否建设国际直线对撞机(ILC),你作为国际直线对撞机亚洲指导委员会的主席和国际直线对撞机理事会理事,能否介绍一下ILC的背景情况及ILC与CEPC的关系?

  高:2007年8月国际未来加速器委员会(ICFA)决定直线对撞机将采用超导加速器技术,同时未来直线对撞机为全球国际合作项目,因此超导型取名国际直线对撞机(International Linear Collider, ILC)。2005年成立ILC全球设计团队,负责人为Barry Barish教授(Barry Barish教授2013年获得发现引力波物理诺贝尔奖)。2013年6月ILC GDE完成技术设计报告(TDR)。目前直线对撞机国际合作组(Linear Collider Collabration, LCC)由来自欧洲核子中心的Lyn Evans教授负责 (Lyn Evans为LHC加速器负责人,于2012年7月在LHC上发现希格斯玻色子)。2017年日本高能物理协会建议ILC从希格斯粒子能区开始建设,称为ILC 250GeV希格斯粒子工厂。2019年欧洲要制定高能物理未来5年发展战略,因此,日本政府需要给出明确表态。欧洲战略也将视日本政府的表态,决定是否继续将ILC纳入未来5年高能物理发展战略之中。

  我个人感觉,日本同意建造ILC 250GeV的可能性很大。ILC将是 世界最大的超导直线加速器,ILC 250GeV总长度20千米,核心技术是工作在2K下的1.3GHz超导加速器技术,ILC质心能量有提升到1TeV的潜力,这个是ILC的主要优势。由于ILC只有一个对撞点,和只有一个可以进行试验的探测器,同时由于在Z和W能区亮度低,不具竞争力,这些构成ILC的劣势。CEPC是环形对撞机,可同时具有多个(CDR设计中采用两个)对撞点和探测器,除了在希格斯粒子能量处的亮度高,在Z和W低能区也具有更高的亮度,同时,在CEPC实验结束后,尽管正负电子的对撞能量原则上不会超过350GeV(CEPC相对ILC的劣势),但可以在同一隧道里建造一台超级质子对撞机(Super Proton Proton Collider, SppC),并有在其后进行电子质子对撞等的可能性。因此,粒子种类和物理研究的丰富性和发展潜力巨大,这些构成CEPC的独特优势及与ILC互补相互关系。

  总之,2018年无论对于CEPC、ILC还是国际高能物理发展史来说,都是一个具有重要历史意义的里程碑之年。


 
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