日本試水主導國際直線對撞機

編譯 姚人杰

要么現(xiàn)在爭取，要么就夭折：高能物理學界正加快計劃未來的研究設施。

復興的國際直線對撞機（ILC）將會成為下一個大型粒子物理學設施的角逐者。在將近20年的研究工作中，這個正負電子對撞機逐漸成形，而這多虧了科學、政治和財政發(fā)展的合力。支持者已經(jīng)構(gòu)思出ILC的階段性建造方案。目前的想法是：它一開始會是一臺250 GeV（而不是500 GeV）“希格斯粒子工廠”。因為較低的能量可以用較短的加速器來實現(xiàn)，估計這樣造價就降低了40%之多，大約為50億美元（不包括人工）。

2017年夏天，造價下調(diào)后的ILC獲得了日本高能物理學家聯(lián)合會的批準。緊接著在11月，獲得了國際未來加速器委員會（ICFA）的同意，該委員會包括了全球主要粒子物理學實驗室的主管?，F(xiàn)在日本是唯一有可能主導ILC建設的國家，只要它發(fā)出希望推進ILC建設的清晰信號，就會讓項目重新運轉(zhuǎn)起來。但這個信號必須在2018年發(fā)出，否則歐洲的粒子物理學家會計劃沒有ILC的未來。

希格斯粒子工廠

2012年，在大型強子對撞機（LHC）上發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。到2016年時，LHC沒能發(fā)現(xiàn)標準模型以外的新粒子?！拔覀円葱枰鄶?shù)據(jù)，要么新的物理知識隱藏在希格斯玻色子背后。”位于洛桑的瑞士聯(lián)邦理工學院粒子物理學家、ICFA直線對撞機委員會主席田中達（Tatsuya Nakada）說道，“這一認識重新強調(diào)了對希格斯玻色子屬性的精密物理的重要性，證明了建造較低能量的直線對撞機作為第一步從科學上來講是合理的?！?/p>

國際直線對撞機的隧道在圖中以地溝形式表現(xiàn)。將會在日本東北地方的一片花崗巖地層中挖掘出這條隧道

考慮到希格斯玻色子質(zhì)量為125 GeV，一臺能產(chǎn)生250 GeV能量對撞的電子對撞機會產(chǎn)生足夠多的希格斯玻色子。而且對撞的粒子是基本粒子，可以對希格斯玻色子進行詳盡的研究，而這在LHC更混亂的質(zhì)子對撞中是不可能辦到的。首要的研究任務會是測量希格斯玻色子與向量玻色子、夸克、輕子的耦合。測量值與理論預測值間的差異能揭示出標準模型之外的物理知識。

費米實驗室主任奈杰爾·洛克耶（Nigel Lockyer）說，希格斯玻色子是種獨特的粒子，“它是我們迄今觀測到的唯一一種自旋為零的基本粒子。對希格斯玻色子的性質(zhì)進行精密測量，就能出現(xiàn)它與一種新粒子混合的情形，這些偏差可能與暗物質(zhì)、宇宙暴脹或額外維度有關(guān)。如果你不去研究希格斯粒子，你會發(fā)瘋的?！?/p>

建造250 GeV能量的ILC的支持者們不想在此止步。為了產(chǎn)生172GeV的頂夸克，需要350GeV能量的對撞機。為了研究希格斯玻色子與自身的耦合，需要有500 GeV能量的對撞機。那種自耦合“對于弄清真空的結(jié)構(gòu)以及其他東西是非常有意思的”，約阿希姆·默尼奇（Joachim Mnich）說道，他是位于漢堡的德國電子加速器的粒子物理學及天體粒子物理學主管。

現(xiàn)成可用的技術(shù)

LHC的后繼設備還有其他選擇。在歐洲核子研究中心（CERN）正在研發(fā)的緊湊型直線對撞機（CLIC），相撞的電子束和正電子束各自由一道平行的驅(qū)動束（drive beam）供能。通常認為它適合于TeV能量等級。和直線對撞機路線競爭的，是用長達100公里的環(huán)（差不多是LHC圓周長度的四倍）來獲得更高的能量。兩個類似的項目正在研究中：CERN的未來環(huán)形對撞機（FCC）和中國的環(huán)形正負電子對撞機（CEPC）。在兩個項目中，都是以電子對撞的希格斯粒子工廠作為起點。FCC會建造到350GeV能量等級；CEPC會建設到240GeV能量等級。最終，兩臺對撞機都會改造成原始隧道的質(zhì)子對撞機。

另一項提議中的未來實驗是對LHC增加設備，讓質(zhì)子與電子能夠?qū)ψ玻Q為LHeC，通常并不被視為ILC的競爭者，但是能以低得多的價格進行補充性的物理實驗。

但ILC使用的技術(shù)是最先進的。與ILC提議使用的諧振腔類似的超導射頻諧振腔早已在美國和德國的實驗室中實際使用。“ILC的概念依賴于已經(jīng)證明的技術(shù)，”默尼奇說，“它已經(jīng)在大型設施中經(jīng)受檢驗，行業(yè)也知道如何制造它?！?/p>

500 GeV能量的ILC的技術(shù)設計報告已經(jīng)在2013年完成。將能量削減至250 GeV后，節(jié)省的花費主要來自于使用更少超導射頻諧振腔。加速器組合的長度會從30公里縮短到20公里。減少隧道的橫截面面積也能節(jié)省費用。

一旦隧道就位，提升對撞機的方法是：要么延長隧道、要么開發(fā)出更好的技術(shù)，加州大學伯克利分校的村山齊（Hitoshi Murayama）說道，他同時也在東京大學科維理宇宙物理學與數(shù)學研究所任職，“現(xiàn)在談論升級的方式還不成熟。”

一些更好的技術(shù)早已經(jīng)在研究中。在費米實驗室，科研人員發(fā)現(xiàn)，當鈮超導射頻諧振腔的最外層表面注入氮時，加速梯度會增加。“我們還不知道原因，”費米實驗室技術(shù)部門的副主管安娜·格拉塞利諾（Anna Grassellino）說，“但是當摻雜物滲入若干納米時，我們得到了最高的加速度。”她說，通過增加加速梯度，“對于相同的資金來說，你能升級到更高的能量等級，這也就意味著能做更多種的物理實驗，或者你可以讓加速器變得更短，這也能節(jié)約資金?！边@一方法早已經(jīng)在SLAC國家加速器實驗室的直線加速器相干光源，以較深摻雜的形式得到實施。在ILC的新設計方案中，射頻領(lǐng)域的新發(fā)展在總計40%的開支削減中貢獻了大約6%。

反對ILC的主張之中，有一種觀點是認為250 GeV的能量太低。要獲取頂夸克、擴展科研范圍的話，下一臺對撞機應該至少有350 GeV的能量。但更低的能量是個良好的開始，SLAC的物理學家邁克爾·佩斯金（Michael Peskin）說，“高能物理儀器耗費數(shù)十億美元的資金，所以你必須要有耐心。”

一些粒子物理學家更偏愛環(huán)形對撞機，它能更容易達到高光度。他們說，直線對撞機缺乏清晰的理由來支持更高的能量，所以它不再有意義。根據(jù)一位要求匿名的粒子物理學家所述，一些科學家也擔心ILC受到政治層面的推動，以至于“沒有回旋余地”，于是科學界感覺自己別無選擇，只能支持ILC。

其他科學家想知道，日本是否有建造ILC的人力資源？其他國家的科研人員將來是否愿意花費十年時間在日本開展相關(guān)工作？“毫無疑問，缺乏讓外國人在日本生活的基礎設施?！贝迳烬R說。譬如說，他注意到：在提議的ILC選址附近沒有K-12國際學校。“但如果項目繼續(xù)進行，基礎設施會建設起來?！贝迳秸f。而且高能物理項目耗資龐大、數(shù)量稀少，任何一個全球性科研設施要得以實現(xiàn)的話，都要吸引全球的物理學家和加速器專業(yè)的科學家過來?！敖ㄔ扉_始的話，科研人員就會過來。”洛克耶說。

費米實驗室的安娜·格拉塞利諾（Anna Grassellino，右）和王梅玲（Mayling Wong-Squires）研究氮摻雜和注入如何提升超導射頻諧振腔（譬如國際直線對撞機會使用的諧振腔）的性能。她們正在準備將一個諧振腔放進身后的高溫爐里烘烤

“不斷推動”

日本正在表現(xiàn)出恢復ILC相關(guān)活動的眾多跡象。數(shù)個工作組正在為文部科學省調(diào)研規(guī)?？s小后的ILC。多個領(lǐng)域的學者正在衡量ILC與其他可能的科研投資的花費、設計與科研價值。“分階段的方式應該會減少日本政府對對撞機造價的震驚?！贝迳烬R說，他擔任了日本高能加速器研究機構(gòu)（KEK）的ILC議題咨詢委員會成員。他注意到，日本國會大約有1/4議員支持推進ILC項目。

2013年，日本東北地方的北上山地中的一個地點被選為ILC的建造地，但是在日本政府正式支持項目之前，這仍然不是正式選址。因為這個地點處于單片花崗巖地層內(nèi)，就算遇上地震，它也應該是安全的。當?shù)乜h市政府支持項目，希望它會提供經(jīng)濟推動力，幫助振興地方，這片區(qū)域在2011年因為地震、海嘯和核電站事故而遭受破壞。

2018年早些時候，一支日本代表團與法國和德國的高級官員會面，討論ILC項目，日本官員也已經(jīng)和美國能源部、美國國會議員討論過項目。日本還打算與法國、德國、美國及其他國家進行進一步磋商?！拔覀儽仨氁砸粋€非正式框架開始工作?！睎|京大學的粒子物理學家山下了（Satoru Yamashita）說道，他參與了近期在歐洲的會談。這個人數(shù)多達20人的代表團成員包括來自日本科學界、產(chǎn)業(yè)界和政府的代表。

山下了說，提高ILC的希望的關(guān)鍵是ICFA明確聲明日本不僅應該主持項目，還應該領(lǐng)導整個項目。他解釋說，此前構(gòu)想的ILC的組織模式更像正在法國建造的國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）。在ITER項目中，合作的各方從一開始就一起討論各種細節(jié)。相比之下，由一個國家領(lǐng)導的組織更簡單，也許能更加容易避免拖延和預算超支等難題，而正是這兩種難題讓ITER成為負面教材?！瓣P(guān)鍵的是要在所有層面不斷推動?！鄙较铝苏f。

2016年日本研討會的參與者討論國際直線對撞機

機會窗口

時間壓力來自于“歐洲粒子物理學戰(zhàn)略”，這是學界為了優(yōu)先考慮未來項目的一次努力。整個程序目前進行到信息收集階段，該戰(zhàn)略預計在2020年初完成。

特拉維夫大學的哈利娜·阿布拉莫維奇（Halina Abramowicz）領(lǐng)導著歐洲戰(zhàn)略形成的程序。她說，如果日本到2018年底還不清晰表明有意主持ILC，“在未來的討論中ILC就會變成不相干的內(nèi)容，那有著巨大的潛在含義?！北确秸f，給ILC開綠燈，就可能將高光度LHC（獲得批準的升級）的研究重心轉(zhuǎn)移到質(zhì)子與質(zhì)子相互作用的高能端，這與用LHC研究希格斯玻色子是“迥異的處境”。

美國的建議會比歐洲稍晚。美國的“粒子物理學項目優(yōu)化專家組”高度好評500 GeV能量的ILC。如果規(guī)?？s小的對撞機變成認真考慮的目標，那么美國科學家群體需要更仔細的審視。美國能源部的高能物理的科學副主管吉姆·西格里斯特（Jim Siegrist）說道：“有許多個決定，首先，250 GeV能量的科學實驗是否足夠好？日本想不想主持項目？還有，我們?nèi)绾螌嵤┰擁椖?？”他表示，日本文部科學省與美國能源部之間的高層次商討在進行中。

ILC的支持者相信，ILC的時機很有利。在美國，到2026年時，“深度地下中微子實驗”應該已經(jīng)建設和運行，洛克耶說：“所以美國高能物理研究項目的大筆資金開始開放。”CERN也會完成LHC高光度升級，但尚未開始制造能量升級所需的磁鐵?！坝袀€全球性的機會窗口?！彼f。ILC最有利的情況是在21世紀30年代初完工。

ILC會是由日本主導并在日本建造的首個國際性科研設施，這既是憂慮的源泉，也是自豪的來源。山下了說，日本文部科學省缺乏領(lǐng)導這樣規(guī)模項目的經(jīng)驗，這是最大的挑戰(zhàn)。另一個挑戰(zhàn)來自于資金。村山齊說：“假如文部科學省的預算保持平穩(wěn)的話，我看不到項目有實現(xiàn)的可能?！北M管在項目繼續(xù)進行、合作國家參與進來之前，開支的分配和實物捐助無法實現(xiàn)，但外界期望日本會支付超過一半的費用。假如項目確實進行下去，中國、印度、俄羅斯和其他國家或許也會加入進來。

田中達說，讓ILC合作正式化代表了先有雞還是先有蛋的問題?！叭毡菊幌朊帮L險，除非有正面的結(jié)果，而歐洲和美國需要見到日本清楚的主導意圖后，才會付諸行動。”

“需要從中立立場挪動一下位置，”CERN的直線對撞機合作方面的主管林恩·埃文斯（Lyn Evans）說道，他負責協(xié)調(diào)ILC和CLIC的全球研究，“日本的進展緩慢又不透明。局面就像一根二極管。我們給予信息，但沒有得出任何東西。”他回憶道，同樣的事之前也發(fā)生在討論日本對LHC的貢獻時候。