“作為中國下一代加速器，環(huán)形正負電子對撞機(CEPC)的設(shè)計與預(yù)研進展順利，計劃2022年完成技術(shù)設(shè)計報告。”近日，在高能同步輻射光源高端學(xué)術(shù)論壇上，中科院高能物理研究所所長、中科院院士王貽芳表示，在CEPC預(yù)研項目支持下，研究人員攻克了超導(dǎo)高頻腔、速調(diào)管、等離子體加速注入器、探測器等多項關(guān)鍵核心技術(shù)。

超導(dǎo)高頻腔是現(xiàn)代粒子加速器的“心臟”，可以通過極高的能量效率給帶電粒子加速。“未來10年，國內(nèi)對超導(dǎo)高頻腔的需求在1000只以上。但是，我國超導(dǎo)高頻腔長期依賴進口，國內(nèi)只有少量樣腔。”王貽芳說。

王貽芳介紹，在CEPC預(yù)研項目支持下，1.3吉赫茲超導(dǎo)高頻腔已經(jīng)達到了國際最好水平，未來不僅可以用在CEPC上，還可以用在上海自由電子激光裝置、日本國際直線對撞機上。此外，650兆赫茲雙腔體的超導(dǎo)腔也達到預(yù)期指標(biāo)。

速調(diào)管可以給超導(dǎo)高頻腔供應(yīng)微波能量，是現(xiàn)代加速器的核心關(guān)鍵部件，在廣播電視發(fā)射、雷達、工業(yè)方面也有廣泛應(yīng)用。我國自上世紀(jì)50年代開始研制加速器使用的大型速調(diào)管，但如今仍然依賴進口。

王貽芳介紹，目前國內(nèi)速調(diào)管的微波能量只有80千瓦，壽命在1萬小時，只能實現(xiàn)50%的效率，而國際水平能達到1000千瓦能量、10萬小時壽命和60%的效率，“我們的目標(biāo)是實現(xiàn)1000千瓦能量、10萬小時壽命，并達到80%的效率”。

“目前，速調(diào)管的第一支樣管已經(jīng)研制成功，指標(biāo)達到了設(shè)計要求，可用于散裂中子源等國內(nèi)大科學(xué)裝置，第二支樣管也已經(jīng)開始加工，以滿足CEPC高效率的要求。”王貽芳說。

CEPC在預(yù)研中還提出了以傳統(tǒng)方案保底、將等離子體加速技術(shù)用于加速器的方案。“國際上等離子體加速研究還在實驗室階段，沒有真正用于加速器。目前我們的模擬研究已經(jīng)證明方案可行、束流質(zhì)量能夠滿足要求，一些驗證試驗也將完成。”王貽芳說。

CEPC在探測器預(yù)研方面也取得了一些進展。“例如硅像素探測器方面，CEPC的目標(biāo)是達到3至5微米的分辨率，目前我們研制的硅像素探測器主要指標(biāo)已經(jīng)達到或超過國外產(chǎn)品。”王貽芳說。

一直以來，粒子物理學(xué)家通過加速器讓粒子對撞產(chǎn)生出新物理現(xiàn)象來檢驗或挑戰(zhàn)粒子物理的基本模型。然而，隨著粒子物理研究的深入，對加速器的能力提出了更高要求。“現(xiàn)在全世界的高能物理學(xué)家都在研究下一代大型加速器。”王貽芳說。

從上世紀(jì)90年代起，日本科學(xué)家就開始研究國際直線對撞機，目前正在組織預(yù)研實驗組，計劃在10年之內(nèi)開始建設(shè)。

歐洲核子中心(CERN)從2013年開始討論未來加速器計劃，2019年發(fā)布了從環(huán)形正負電子對撞機升級到強子對撞機的計劃，預(yù)計2028年開始建設(shè)正負電子對撞機，并于2038年運行，造價約為100億歐元。2020年6月，CERN在“歐洲粒子物理發(fā)展計劃”中提出，粒子物理發(fā)展的首要目標(biāo)是建設(shè)正負電子希格斯工廠。

“美國也在討論一個全新的未來加速器發(fā)展計劃，很有可能會在繆子對撞機上有一些新想法。”王貽芳說。

2012年9月，我國高能物理學(xué)家提出了下一代加速器方案——環(huán)形正負電子對撞機—超級質(zhì)子對撞機。2018年11月，CEPC研究工作組發(fā)布了概念設(shè)計報告，并轉(zhuǎn)入技術(shù)設(shè)計階段。

“我們的目標(biāo)不再是在世界粒子物理領(lǐng)域占有‘一席之地’，而是要站在‘舞臺中央’。”王貽芳說。(記者 倪思潔)