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未来的对撞机

环型电子对撞机向更高能区发展遇到了同步辐射能量损失随束流能量的四次方增长的困难，为了向更高的能量和更深的层次进军，直线对撞机作为未来的高能对撞机而得到世界各国的重视。世界上第一台直线对撞机是美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）的SLC，它利用SLAC的50GeV的直线加速器。在SLC中，正负电子束流分别经过两个弧形传输线进入对撞区，实现了的对撞，验证了直线对撞的原理。在这以后，世界上提出了多个直线对撞机的设计方案，形成了低温超导和常温常规两种加速结构之争。

鉴于直线对撞机造价昂贵，国际高能物理界达成了建造国际直线对撞机（ILC）的共识，成立了由世界各国高能物理学家组成的直线对撞机国际协调委员会（ILCSC）和12位专家组成的国际技术推荐委员会（ITRC）。在深入研究、反复比较的基础上，国际未来加速器委员会（ICFA）批准了ITRC和ILCSC的报告，在北京召开的第27届国际高能物理大会期间，于2004年8月19日做出了一个决定，即下一代大型直线对撞机将采用低温超导加速技术。

在此后的两年多的时间里，各国科学家通力合作，按计划完成了ILC的参考设计报告。根据参考设计，ILC将建造在总长约40公里的地下隧道里，由两台大型超导直线加速器组成，分别将正负电子加速到250GeV的能量，对撞时质心系能量达到500GeV，以后还可扩展到1TeV；基本建设和加速器设备的造价估算为67亿美元，需要2000名科研和工程技术人员持续工作5年以上。图11是ILC的总体布局。

 

图11  ILC的总体布局

电子枪产生的电子束经过预加速到5GeV，注入进周长约6.7km的电子阻尼环里。电子束在阻尼环里大约要回旋1万圈，使束团的尺寸变得更小、更致密，再送到主电子直线加速器。主加速器是一台由8000多个超导加速腔组成的总长为12km的庞大机器，加速梯度高达31.5 MV/m，把电子束加速到250GeV的超高能量。在加速到大约150GeV时，电子束被送进一个波荡器后再回到主加速器，继续加速到250GeV并经过最终聚焦后与正电子束对撞。正电子的产生要更麻烦一些。上面谈到的150GeV的电子束在波荡器里辐射出的高能、高通量的光子，轰击到一个钨靶上产生正负电子对，把正电子束流收集起来，加速到5GeV，注入与电子阻尼环安放在同一个隧道的电子阻尼环里。类似地，正电子束在阻尼环束团的尺寸变得更小后，送到主正电子直线加速器，一直加速到最终能量250GeV。按照参考设计，每个束团里的200亿个粒子的正负电子束被聚焦在的微小截面里，以每秒钟14000次的频率在对撞点相撞，质心系能量达到500GeV，对撞亮度。在对撞区有两台巨大的探测器。这两台探测器将采用有所不同但互相补充的先进技术，从而能够记录下每一次对撞产生的每一个粒子，并能对难以确认的物理发现进行必要的交互性校验。

计划2015年ILC建成并进行调束。图12是ILC的构想图。

 

图12  ILC的构想

虽然，目前这还只是艺术性的畅想图，相信经过全世界科学家的不懈努力，ILC终将能建成，用以开展对质量起源，探索暗物质、暗能量以及空间和时间的性质等基本问题的深入研究，回答有关自然界物质的起源、暗物质、暗能量、额外维等最基本的问题。

在直线对撞机中，用激光与高能正负电子作康普顿散射，再让所产生的高能光子对撞，这就是研讨中的光子对撞机。图13为对撞的示意图。两束入射极化激光分别与极化正、负电子束作康普顿背散射产生两束高能光子，此后正、负电子束被磁场偏走，而光子束在对撞点相互作用。

 

图13 对撞示意图

对撞机中的一个关键问题是光子的聚焦。大家知道，任何光学元件都无法将如此高能量又不带电荷的光子束聚焦。在光子对撞机里，这个“聚焦”是“自动”发生的。由于电子的能量（250GeV）远远高于入射光子的能量（~1eV），使背散射y光子沿着几乎与电子完全相同的方向飞向对撞点。因此，光子对撞机需要的，是在对撞区正负电子的聚焦，而这正是直线对撞机设计的要求。

两束高能光子对撞最令人激动的物理工作是直接测量黑格斯波色子衰变为两个的宽度。这是一种在不产生更高能量粒子的情况下精确检验标准模型、超弦模型、人工色模型以及其他模型的有效方法。采用光子对撞机还可以研究黑格斯粒子衰变为或ZZ的反应等等。

另一种正在研究中的高能轻子加速器是对撞机。子和电子一样，也是一种轻子。由于子的质量约比电子大200倍，同步辐射损失小，容易在环形加速器中被加速到更高能量。子是一种不稳粒子，其静止寿命约为。由于相对论效应，在被加速到高能量时粒子寿命将以倍因子提高，因而仍有可能得到足够的对撞时间。在子对撞机中子衰变时会产生大量中微子，可用于研究中微子物理。因此，对撞机同时又是中微子工厂。图14是一台Ecm=4TeV的对撞机布局示意图。

 

图14 对撞机布局示意图

直线加速器产生的强流质子打靶产生高通量的介子束，衰变后得到发射度很大的子束流，经螺线管磁场俘获、压缩后，由离子冷却装置减小其发射度，传输到常规和超导直线加速器串级快速加速到2TeV后，注入到周长约8km的储存环中积累、对撞。它的设计亮度为。由于相对论效应（=20000），这时的寿命增加到40ms，对撞次数约为，可以进行高能物理实验。对撞机可以是对撞机的竞争对手，更可能是它以后的高能加速器，两者具有互补性。

研究正未有穷期。路漫漫其修远兮，科学家将上下而求索。