CEPC-SppC加速器 ——從概念設計到技術設計

經過近半個世紀的尋找，2012年，物理學家在歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC)上發現了希格斯玻色子(HiggsBoson)，補全了粒子物理標准模型粒子譜的最後一塊拼圖(圖1)。粒子物理標准模型是人類迄今爲止構建的最爲成功的物理模型之一，它以簡潔優美的數學形式和令人驚歎的精確水平預言和诠釋了幾乎所有在對撞機實驗中觀測到的現象(圖2)。自20世紀後半葉起，粒子物理發展的主旋律就是標准模型的建立和驗證；希格斯玻色子的發現無疑把標准模型的成功推向了高潮。

2012年7月4日歐洲核子研究中心(CERN)宣布在大型強子對撞機LHC上發現希格斯粒子，科學家經過50多年的搜索，粒子物理學終于進入了希格斯時代。由于希格斯能量爲較低的125GeV，因此，除了可以使用直線正負電子對撞機(例如ILC和CLIC)外，還可以采用環形電子正負對撞機産生希格斯粒子，並且後者具有更高的亮度及更多的對撞點，除了在功耗方面外，在技術難度及成本方面也具有明顯優勢。

2012年9月，中國科學家提出了在中國建造一台質心能量爲240GeV的環形電子正電子對撞機(Circular Electron PositronCollider,簡稱CEPC)，用于希格斯粒子及超出標准模型以外的粒子物理研究。CEPC具有兩個探測器位于周長爲100千米的隧道中，是CERN大型強子對撞機的三倍多。隧道寬6米，未來可以在同一隧道中在不拆除CEPC的情況下安裝一台超級質子-質子對撞機(SppC)，遠遠超出LHC的能量潛力，開展能量前沿研究(圖1)。

在2012年11月費米實驗室舉行ICFA希格斯工廠研討會之後，歐洲核子研究中心還提出了一個類似的周長100千米的“未來環形對撞機(FCC)”。2013年6月12日至14日，第464屆香山會議在北京舉行，主題是研討中國高能物理未來發展戰略，其中共識之一就是作爲繼BEPCII之後在中國的下一個對撞機，環形電子正電子希格斯工廠(CEPC)和隨後在同一條隧道中的超級質子-質子對撞機(SppC)是一個曆史機遇，也是未來高能物理實驗的一個重要的選項，相應的R&D是必要的。國際未來加速器委員會(ICFA)分別于2014年2月和2014年7月連續兩次發表聲明，表示ICFA支持能量前沿環形對撞機研究並鼓勵全球協調。在2016年4月于日本京都舉行的亞洲高能物理委員會(AsiaHEP)及亞洲未來加速器委員會(ACFA)會議上，CEPC/SppC在AsiaHEP/ACFA的聲明中得到了積極肯定。2016年9月12日在中國物理學會中國高能物理分會會議上，一份關于未來基于加速器的中國高能物理發展的聲明中指出，CEPC是未來中國高能加速器項目的首選。2016年10月18日至19日在北京舉行了會議主題爲高能環形正負電子對撞機的第572屆香山會議，會議得出的結論是：CEPC有充分的物理理由，在SppC中具有巨大的物理潛力。會議認爲CEPC需要經過五年的前期研究，進行優化設計，關鍵技術預研和産業化准備工作，才能在CEPC于2022年左右開始建造並于2030年左右建成投入運行。CEPC將配備兩個探測器，在希格斯能量下每個對撞點亮度最少爲2×1034cm-2s-1，作爲希格斯工廠運行10年，每個對撞點亮度至少1×1034cm-2s-1，以累積一百萬個希格斯和1億個Z粒子。

根據第572屆香山會議制定的CEPC路線圖CEPC-SppC的預概念設計報告(Pre-CDR)已于在2015年3月完成，CECP Pre-CDR設計基于單環的pretzel軌道方案，然而這個方案並不能滿足設計亮度指標的要求。

自2015年以來，CEPC加速器團隊系統地研究了基于中國科學家于2013年6月提出的crab-waist對撞局部雙環(Partial Double Ring, PDR)，2016年提出的先進局部雙環(AdvancedPartial Double Ring,APDR)方案以及全局部雙環(FullPartial Double Ring)方案，比較了不同方案的亮度潛力(圖2，圖3)。

針對CEPC周長與束流輻射功率與亮度的關系問題也開展了深入的研究，並與CERN FCCee設計亮度進行了比較(圖4)。

CEPC的國際咨詢委員會(IAC)于2015年成立。2016年中國科學技術部CEPC第一期R&D預研項目立項。2016年11月的CEPC指導委員會根據CEPC研究結果，並結合SppC未來發展潛力，明確了CEPC-SppC相互關系，確定CEPC周長爲100km。2017年1月14日CEPC指導委員會批准了CEPC加速器團隊提出的周長爲100km以全局部雙環(FPDR)爲基准方案，先進局部雙環(APDR)爲備選方案的建議。CEPC四個方案的設計過程及比較過程于2017年4月發表在CEPC-SppC進展報告中(IHEP-CEPCDR-2017-01)。2018年6月以CEPC基准設計方案(圖5)爲主要設計目標的CEPC概念設計(CDR)通過國際評估。評估報告結論是：全體評審委員一致肯定CEPC設計工作中取得的令人矚目的進展，並對概念設計報告的完成表示祝賀。全體評審委員認爲，設計工作已經證明項目的基本可行並可以被批准進入技術設計報告(TechnicalDesign Report, TDR)階段。CEPC加速器CDR于2018年9月2日發表在2018:arXiv：1809.00285。CEPC CDR于2018年11月14日正式對外發布。2019年1月CEPC正式進入技術設計報告(TDR)階段。2019年5月CEPC加速器報告提交歐洲高能物理戰略會議進行討論(CEPC accelerator: ArXiv:1901.03169)。

一、CEPC加速器CDR設計

CEPC CDR設計思路如下：CEPC優化在希格斯粒子能量，在不變硬件的情況下可以同時工作在W(80GeV)和Z-Pole(45.5GeV)能區。在高能量環形正負電子對撞機中，同步輻射的功率損耗是十分關鍵的“瓶頸”問題。爲了降低CEPC運行功耗，CEPC CDR提出了每束30MW的同步輻射功率限制。CEPC的布局如圖5所示，CEPC加速器注入鏈包括一台能量爲10GeV正負電子直線加速器和一台1.1GeV正電子阻尼環，以及和對撞機環在同一隧道中的、能將束流能量從10GeV提升到120GeV的增強器。

表1中顯示了周長100km的CEPC CDR參數表，其中加速器-探測器區域(MDI)參數爲：對撞交叉角爲33mrad和最終聚焦磁鐵離對撞點的距離L*=2.2m。

CEPC對撞環由弧區，高頻區，對撞區等三大部分組成，其中對撞區超導聚焦極鐵、環中大量六極鐵及束束相互作用所産生的非線性力對粒子的動力學孔徑産生巨大限制，爲了使動力學孔徑滿足對撞束流的亮度及壽命要求，必須對動力學孔徑進行優化設計，並最終在考慮量子輻射激發，磁鐵誤差，軌道誤差等因素影響下動力學孔徑和能量接收度依然滿足設計要求。

CEPC對撞環超導高頻加速器系統CDR設計采用頻率爲650MHz的2單元超導高頻腔，加速梯度爲20MV/m，空載品質因數Q0=1.5×1010。6個工作在2K溫度下的2單元超導腔置于一個恒溫器中。在希格斯能量下，共需要240只2單元超導腔。

CEPC對撞環的全能量注入由一台周長100km的正負電子增強器提供，該增強器置于CEPC對撞環的上方的隧道頂部。CEPC增強器由于注入能量低(10GeV)及半徑大，因此增強器起步二極鐵磁場強度僅爲28高斯，這樣的低場注入目前國際上還沒有先例，對增強器二級磁鐵設計加工制造都提出了很高的要求，非常具有挑戰性。增強器超導高頻加速系統采用1.3GHz9單元超導腔，並將8只9單元超導腔置于一個12m長的恒溫器中，其技術與國際直線對撞機基本相同。CEPC增強器需要96只加速梯度爲20MV/m的1.3GHz9單元超導腔。CEPC正負電子注入器爲一台S波段常溫直線加速器，加速梯度爲21MV/m。正電子源由電子束流轟擊鎢靶産生高能伽瑪射線衰變爲正負電子對得以收集産生。由于正電子束流的發射度較大，因此需要通過一台能量爲1.1GeV的正電子阻尼環對正電子束流橫向發射度進行阻尼衰減。

CEPC運行在Z-pole能量時可以通過正負電子橫向自極化(5%~10%極化率)對撞來進行精確達10-6的能量標定。爲了提高自極化速度，需要在對撞環中加裝10台左右的特種扭擺磁鐵。爲了進一步實現Z-pole能量下的高極化度(>50%)水平極化對撞以提高物理實驗測量精度，需要在每個對撞點兩邊各加入一個極化旋轉器，同時，由于正負點電子極化束流的産生來自直線加速器，需要經過增強器升能注入到對撞環，因此，爲了使極化束流在升能期間不經過退極化共振線，需要加裝一對稱爲“西伯利亞蛇”的特種磁鐵以保證注入到對撞環中的極化率不小于50%。

爲了降低CEPC增強器低場二極磁鐵的研制風險，CEPC加速器團隊提出了采用等離子體加速的方法把10GeV正負電子的能量提高到45GeV。

二、CEPC加速器TDR優化設計， 技術預研及産業化准備

自2018年11月CEPCCDR正式發布之後，CEPC也根據國際顧問委員會建議進入了技術報告TDR階段。在這個階段中需要繼續優化CEPC設計提高不同能量下的對撞亮度並在關鍵部件方面推進樣機研制。自CEPC CDR完成後，通過優化設計希格斯能量亮度可以在束流輻射功率30MW亮度可以達到5.2×1034cm-2s-1。2018年12月提出大晶粒高Q值(3×1010)高梯度(40MV/m)650MHz單腔作爲CEPC超導腔設想後，CEPC在Z-pole能區亮度可以達到1×1036cm-2s-1。這些優化設計指標達到了國際領先水平，而且具有CEPC特色。圖6中列舉了部分關鍵硬件樣機研制進展：1)CEPC對撞環650MHz2單元超導腔；2)650MHz大晶粒一單元超導腔；3)電抛光EP設備；4)對撞環雙孔徑二級磁鐵；5)對撞環雙孔徑四極磁鐵；6)650MHz超導腔恒溫器樣機；7)增強器鐵芯高精度低場二極鐵；8)增強器空芯高精度低場二極鐵；9)電子環鋁真空盒；10)650MHz高功率高效800KW速調管；11)增強器1.3GHz9單元超導腔。在TDR階段，CEPC數字化BIM設計，協同設計電子文檔，計算機優化倉儲物流安裝流程等研究工作也在相關企業和大學的合作中不斷推進，設備産業化准備也在積極准備之中。

三、SppC加速器設計

盡管SppC將于CEPC運行結束後才開始建造，但是由于SppC將于CEPC置于同一隧道中，今後還要保留電子質子對撞的可能性，因此，需要考慮SppC與CEPC之間的相互關系。另外，由于CEPC建設將在新址上建設，因此在選址時需要考慮SppC注入鏈加速器的相關位置，爲未來的長遠發展打下良好的基礎。關于SppCCDR設計，其周長約爲100km，位于CEPC外側，SppC在75TeV的質心能量處提供質子質子對撞，亮度爲1×1035cm-2s-1，這時需要場強爲12Tesla超導二極磁鐵磁場強度。SppC二極超導磁鐵采用高溫鐵基超導材料，用以降低SppC加速器造價。CEPC-SppC選擇100km周長的隧道爲CEPC-SppC性能與技術變化提供了優化及發展空間。

四、CEPC土建設計及部件安裝

CEPC的施工建造面臨多方面的前所未有的挑戰。CEPC將是人類在地球上建造的規模最大複雜程度最高的科學實驗裝置，其周長100km，置于地下100m左右的岩石之中，隧道長，洞室結構複雜(圖7)，探測器大廳跨度大，部件數量多(圖8)，設備安裝精度高，工期緊等，因此，CEPC無論從設計到施工安裝都是一個協同性極高的系統工程。

五、CEPC-SppC選址

C0EPC-SppC選址工作，需要考慮很多因素。地址技術指標大致可量化如下：地震強度小于7；地震加速度小于0.1g；1~100Hz時地面振動幅度小于20nm；花崗岩基岩深50~100m。除了地址條件技術指標還要考慮選址地年平均氣溫，地下水，地面水資源及電力資源等環境情況。除了自然環境，還要考慮社會與經濟發展水平，交通條件以及當地政府支持力度。CEPC選址過程始于2015年2月，迄今已對六個選址地點進行了較爲深入的研究(圖9)：1)河北省秦皇島；2)陝西省延安地區；3)廣東省深汕特別合作區；4)浙江省湖州；5)吉林省長春；6)湖南省長沙。

六 、CEPC産業聯盟 (CIPC)及CEPC促進基金(CPF)

2017年11月7日CEPC産業促進會(CIPC)正式成立，目前已有70多家國內企業參與到CEPC-SppC相關的TDR關鍵技術R&D研究中，其中包括：速調管、超導腔、超導材料(超導腔及超導磁鐵)、低溫恒溫器、制冷機、磁鐵、真空、電子學、土建等領域，在CEPC土建、選址、數字化設計(BIM)等方面發揮了突出的作用。2019年11月17日由王贻芳院士發起並投入第一筆約350萬元人民幣(五十萬美元)種子基金的CEPC促進基金(CPF)正式宣布成立。CPF的成立立即得到包括CIPC成員單位在內的單位與個人的積極響應和參與，今後CPF必將不斷發展壯大，成爲服務于CEPC預研，建設與運行的重要公益性基金。

七、CEPC加速器國際合作

CEPC加速器設計、預研、産業化、安裝、調試、運行等工作涉及面廣，難度大，因此除了國內範圍內的合作與協作外，還需要高水平的國際合作，通過國際合作解決相關問題，通過國際合作進行人才培養，通過國際合作增加CEPC的國際參與度，通過國際合作提升CEPC的整體水平，例如與日本KEK的SuperKEKB，俄羅斯新西伯利亞BINP，俄羅斯杜布納研究所(JINR)，美國BNL實驗室的eRICH等在先進環形正負電子對撞機設計和運行，及極化束流等方面開展了卓有成效的合作。目前CEPC與國際上20多個研究機構與大學簽署了合作意向書(MoU)，2019年11月成立了CEPC加速器國際評估委員會。

八、CEPC加速器建造路線圖及規劃時間表

2019年5月歐洲高能物理戰略規劃研討會在西班牙格拉納達召開，CEPC-SppC,FCC(ee,hh),ILC，CLIC等計劃均向會議提交了報告。CEPC的路線圖和時間表如圖10所示。作爲希格斯工廠的ILC250GeV計劃，日本政府將于2020年2月20日在美國SLAC召開的國際未來加速器委員會(ICFA)的直線對撞機理事會(LCB)上，給出是否有意承建ILC並開展下一步與相關國家政府協商分擔建造經費的工作。歐洲也將在2020年2月給出歐洲是否將希格斯工廠作爲戰略首選，以及歐洲是否有意在歐洲建造或支持和參與在世界其他地區的希格斯工廠項目，CEPC與ILC均希望能夠納入歐洲高能物理發展戰略規劃之中。美國高能物理戰略發展規劃也將在2020年啓動。因此，2020年將是世界高能物理發展的關鍵之年。