下一代高能正负电子对撞机：现状与对策

下一代高能正负电子对撞机：现状与对策

——香山科学会议第464次学术讨论会综述

粒子物理学（或称高能物理学）是研究“物质、能量、空间、时间”等自然界最基本问题的学科。粒子物理标准模型的建立使得人类对构成物质世界的基本组成单元和相互作用的认识达到了空前的高度，同时也有很多问题亟待解答。为了深入研究电弱对称性自发破缺机制和质量起源等基本问题，探索超出标准模型的新物理现象，理解宇宙观测中暗物质和暗能量的本质，在大型强子对撞机（LHC）成功运行后，人类还需要建造下一代正负电子对撞机，通过两种对撞机上探测结果的互补来发现和确认新基本粒子及其性质、从而进一步揭示新物理定律。

2012年7月4日，欧洲核子研究中心（CERN）宣布在LHC的ATLAS和CMS两个实验都观测到了一个类Higgs玻色子的新粒子，质量在125GeV附近。这个粒子的发现对下一代正负电子对撞机的设计和建造具有关键意义。利用质心系能量250GeV附近的正负电子对撞大量产生Higgs粒子从而精确测量其性质是下一代高能正负电子对撞机主要的科学目标之一。我国科学界和高能物理界一直在关注LHC第一阶段运行后的高能量前沿的重要物理问题，以及国际上的直线对撞机和Higgs工厂方案。普遍认为急需讨论和制定我国参与或承建下一代高能正负电子对撞机的战略对策和实施方案。

2013年6月12日~14日，主题为“下一代高能正负电子对撞机：现状与对策”的香山科学会议第464次学术讨论会在北京香山饭店召开。北京大学陈佳洱教授、赵光达教授、清华大学邝宇平教授、中国科学院高能物理研究所方守贤研究员、陈和生研究员和王贻芳研究员担任会议执行主席。来自全国11个单位的35 位高能物理和加速器领域的专家学者也应邀参加了会议，与会专家围绕“下一代高能正负电子对撞机粒子物理理论”、“直线对撞机及Higgs工厂加速器”、“直线对撞机及Higgs工厂粒子物理实验和探测器”、“我国的下一代高能正负电子对撞机对策”等中心议题进行了深入交流与讨论。

一、主题评述报告与讨论

中科院高能所王贻芳研究员在题为“下一代高能正负电子对撞机”的主题评述报告中指出，自LHC的建造确定以后，国际上就开始设想下一代高能正负电子对撞机。在国际未来加速器委员会（ICFA）及其下属的各种委员会领导下，这台首次由全世界高能物理学家和加速器物理学家联合设计的“国际直线对撞机（ILC）”完成了其概念设计（CDR，2007年）、工程设计（TDR，2013年）及造价估计。由于2012年Higgs粒子的发现，国际上关于下一代高能正负电子对撞机的意见逐渐统一：先从250 GeV开始，再逐步发展到500 GeV。ICFA2012年全面改组了ILC的领导机构，准备积极推动该设施的建造。日本的高能物理学界提出要承建ILC。无论欧洲与美国政府最终会对ILC支持多少，其高能物理学界始终对此努力支持，并积极参加各种ILC相关的组织和管理机构，其人数及话语权实际上远超过日本人。

以上情况反映出：1）高能量前沿是高能物理的最前沿，过去几十年最重要的发现主要来源于此；2）

高能量前沿的加速器与探测器技术也是最前沿，对未来发展至关重要。因此尽管欧洲与美国由于经费及其它问题不能承建ILC，但他们不能也不会缺席。我国过去由于各种原因，特别是由于ILC的前景不明朗，政府投入几乎为零，高能物理学界也很少有人参与ILC的活动。这与我国的大国地位、高能物理发展水平及其国际影响极不相称，也对我国高能物理的未来发展不利。最近几年，大家一直呼吁改善这种状态，包括2006年召开的香山会议，但现状并未根本好转。2012年的国内ILC讨论会形成一个共识：中国应该积极参加ILC，争取贡献5%左右，并争取在技术和人员上能真正实现贡献5 %所需的必要前期R&D政府经费支持。事实上，国内一直有人提出承建ILC，但高能物理学界的共识是：其造价和技术难度超过我们目前可以承受的程度。

王贻芳研究员表示，2012年在讨论基于加速器的我国未来高能物理发展规划时，有人提出建造250 GeV环形正负电子对撞机（Circular Electron Positron Collider，CEPC）并适时将其改造为50 TeV 超级质子对撞机（Super Proton Proton Collider，SPPC），以使我国一步跨入世界最先进行列。特别是未来的质子对撞机，将使我国的粒子物理远超国际上任何其他国家。虽然该设想面临的技术难度与造价均比ILC低，但仍然面临巨大的困难，其可行性是本次会议我们要讨论的重要议题之一。国际上也有人提出环形Higgs工厂的概念，并将其与ILC对立，宣称其优点远好于ILC。我们认为ILC 已经过多年研究，技术较为成熟，环形正负电子对撞机CEPC的提出时间很短，还需要做更多的研究。事实上，ILC与CEPC是很好的互补：1）技术上难点各有不同；2）可以去除ILC push-pull

的选择；3）物理成果互相检验。对中国来说，如果CEPC想得到国际支持，就需要我们首先支持ILC。我们应该参与国际上ILC的预研以掌握技术，并参与ILC建设以争取科学研究的话语权。我们也应该探索在中国建设CEPC的可能性，并积极争取国内外的广泛支持，使我国的高能物理研究走到世界最前列。

与会专家指出，探索物质最深层次的结构和规律是重大的科学前沿问题。Higgs粒子是标准模型最重要的粒子，对Higgs粒子性质的精确测量和寻找新粒子具有全局性的意义。我国提出的环形Higgs 工厂（CEPC）及后续的超级质子对撞机（SPPC）的科学目标非常重要，是世界高能物理的制高点。中国高能物理将由此打开一个全新的局面，站到世界最前列。CEPC-SPPC是我国未来高能物理发展的很好的选择，相对别的选项意义更为重大。但是，CEPC的造价很高, 三百亿的项目国家不一定能批准。如果实在困难，可以考虑规模相对小一些的项目，使中国高能物理能持续得到发展。我国应把研究力量组织好，同时把Higgs 工厂和寻找新的重粒子的两方面研究都做好，争取在两方面都有所作为。CEPC既可作为Higgs工厂（与ILC一样）对125 GeV的共振做精确测量，又可以在做完精确测量后改为50 TeV的质子对撞机，在寻找新的重粒子方面优于升级以后的LHC，将在高能研究最前沿研究中领先，这是CEPC-SPPC的重要优势。

CEPC是我国高能物理界的一个梦想，若能实现，会使中国高能物理实验研究跨越发展。但因为要建设一个规模是CERN两到三倍的高能物理中心，建设和运行经费非常巨大，必须需要深入研究它的科学目标和技术可行性和造价，决策要十分谨慎。应该看到CEPC与ILC比的局限性，它的周长决定了其最高质心系能量。例如，选择50公里周长，就难以研究质量超过125GeV的新粒子。如果将来在LHC发现超过这个能标的新物理，它就可能很被动。此前的LEP和Tristan就是教训。CEPC 是重要的跨越，建成后确能使我国的高能物理迈向世界领先行列，但它的规摸很大，难度不小，它的实现，首先需要高层决策和科技界共识。从总体上看，CEPC虽相对ILC有很多优点，但目前它的设计还很初步，到技术设计尚需要相当长的时间，需要充分估计和进一步暴露它的物理问题和技术