中国“希格斯工厂”技术关键技术准备就绪

日前，《辐射探测技术与方法（英文）》以开放获取形式，在线发表了《环形正负电子对撞机（CEPC）技术设计报告：加速器》（以下简称“技术设计报告”）专刊。该报告由CEPC加速器研究团队撰写，通过国际前沿专家评审后，于2023年12月25日定稿，共1090页。

CEPC是中国科学家于2012年9月提出并主导的预研项目，目标是在地下建一个周长100公里的大型环形对撞机，通过高能量的正负电子碰撞，产生大量希格斯粒子，用于发现关乎宇宙产生与演化的新物理现象和物理规律，被称为“希格斯工厂”。

目前，该项目与欧洲主导的未来环形对撞机、美国主导的缪子对撞机、日本主导的国际线性对撞机等处于竞争状态。“在众多主导‘希格斯工厂’建设的国家中，我国首先完成了环形‘希格斯工厂’的‘技术设计报告’。现在，团队已经将CEPC的关键技术掌握在手中，关键技术设备均达到了设计指标。”中国科学院高能物理研究所研究员高杰在接受《中国科学报》专访时说。

CEPC示意图。中国科学院高能物理研究所供图

“关键技术装备达到世界先进水平”

记者发现，相较CEPC团队于2018年底发布的“概念设计报告”，历经5年写就的“技术设计报告”信息更加明确，不仅包括加速器的布局设计、部件原型的详细设计与样机研制，还包括对3个潜在选址地点——秦皇岛、长沙、湖州的评估。

“此前我们从理论层面评估了CEPC的预期指标，而这次我们成功研制了许多关键部件，证明了设计指标可以在技术上实现。”高杰介绍，“CEPC的关键技术装备达到了世界先进水平，其中有些装备还是世界上没有的。”

650兆赫兹高功率高效速调管功率源，就是他所说的“世界上没有的”装备之一。

在加速器中，速调管功率源相当于粒子的“加油站”。普通加速器中的速调管功率源在1米左右，650兆赫兹速调管功率源大约有5米长。

“粒子在100公里的大环里跑，跑着跑着就没劲儿了，所以我们在环的两侧分别安装48套650兆赫兹速调管功率源，给跑圈的粒子补充能量，保证粒子速度接近光速。”速调管功率源团队负责人、中国科学院高能物理研究所研究员周祖圣告诉《中国科学报》。

他介绍，目前基于国际成熟技术路线生产的速调管，能量转化效率仅为60%至65%，而CEPC团队研制的650兆赫兹速调管现已实现高功率输出，能量转化效率达到77%，满足设计指标。下一步，团队的目标是将能量转化效率提升至80%，并在未来两三年里实现剩余20%能量的回收再利用，将能量转化效率进一步提升到85%至90%。

5米长的高效率功率源的速调管样管。受访者供图

“每1%的性能提升，都非常重要”

CEPC团队有一个共识：“每1%的性能提升，都非常重要。”

他们推着技术往极限走的动力之一，来自CEPC对装备性能指标的高目标、高要求。

对此，CEPC超导加速器模组研究人员、中国科学院高能物理研究所研究员翟纪元感慨：“CEPC很大，所有设备都要达到最高的性能指标，否则整个装置的‘负担’太重。对我所在团队做的超导高频腔来说同样如此，我们要把它加速粒子的性能往极限推。”

在北京怀柔的实验厂房里，翟纪元所在团队研制的1.3吉赫兹超导高频腔就像一根穿了9颗“山楂”的“糖葫芦”。8根“糖葫芦”再连成一大串，被装进12米长的黄色“筒子”里，这“筒子”便是科研人员所说的“超导加速器模组”。

“现在1.3吉赫兹超导高频腔已经实现国产化，性能达到国际领先水平。下一步，我们的目标是进一步减少低温损耗，提高每个超导腔加速粒子的能力。如果粒子每经过一个超导腔都能获得更多能量，那么我们就可以相对减少腔的数量。”翟纪元说。

科研人员挑战技术极限的另一动力，来自技术成果在其他装置及领域的广泛应用。

记者了解到，中国散裂中子源就需要高功率速调管来提供脉冲功率，以提高能量转化效率；正在建设中的上海硬X射线自由电子激光装置、大连光源等装置，则需要安装1.3吉赫兹超导高频腔和超导加速器模组。

高杰介绍，CEPC的技术成果在满足自身科学和技术要求的同时，也为国内其他大科学装置设备的国产化提供了条件和帮助，为企业培育了高新技术和研发队伍，推动国内相关企业成长为国际头部企业。

“更高的技术性能，会让国内相关企业更容易在激烈的国际竞争中取得领先地位。”高杰说，“高功率器件等设备不仅可以用在加速器上，还可能用在广播通信、雷达、热核聚变等其他领域中。而团队在与企业合作的过程中，企业会将技术融入其他相关产品，提升其性能。”

1.3吉赫兹超导高频腔（前）和超导加速器模组（后）。倪思洁摄

“窗口总有一天会打开”

高杰表示，在技术设计过程中，团队不仅要考量技术性能，还要考虑工程、材料等因素。

“技术设计报告”显示，CEPC总造价预计为364 亿元，其中加速器、基础设施和实验分别为190亿元、101亿元、40亿元。

“这一预算经过了审查委员会的严格审核。”高杰说，“接下来，CEPC团队将继续完成‘工程设计报告’，并与企业合作，实现关键技术设备产业化。”

高杰接受记者采访。李子锋摄

此外，记者注意到，“技术设计报告”的开头有一份长达5页的名单，署名者有1114人，来自38个国家。

高杰表示，作为全球“希格斯工厂”中首个出炉的“技术设计报告”，这份报告在高能物理界引起了广泛关注，很多同行向他表达了对CEPC的信心。

“技术设计报告”上线后，《自然》对此进行了报道。在接受《自然》采访时，CEPC“技术设计报告”审查委员会主席、欧洲核子中心物理学家Frank Zimmermann评价称，“他们取得了巨大的进步”；CEPC国际咨询委员会成员、香港科技大学物理学家Andrew Cohen则表示，“中国有能力在几乎没有国际研究人员帮助的情况下建造CEPC的加速器”。截至7月4日，“技术设计报告”专刊的访问量近1700次。

“技术设计报告”显示，如果能获得政府批准，CEPC有望在2027年至2028年前后启动建设，工期预计为8年，物理实验数据收集可能从2035年前后开始。

“如果短期内无法立项，该怎么办？”面对记者的这一问题，高杰说：“希格斯粒子是关乎宇宙起源和演化及物质质量来源等科学问题的基本粒子，这一点是全球公认的。建设‘希格斯工厂’不只是中国人的目标，也不只是一个学科的目标，而是全人类的目标。窗口总有一天会被打开，我们将通过这里看见科学通往未来的光和路。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1007/s41605-024-00463-y