日前，《輻射探測技術與方法（英文）》以開放獲取形式，在線發表了《環形正負電子對撞機（CEPC）技術設計報告：加速器》（以下簡稱“技術設計報告”）專刊。該報告由CEPC加速器研究團隊撰寫，通過國際前沿專家評審后，于2023年12月25日定稿，共1090頁。
CEPC是中國科學家于2012年9月提出并主導的預研項目，目標是在地下建一個周長100公里的大型環形對撞機，通過高能量的正負電子碰撞，產生大量希格斯粒子，用于發現關乎宇宙產生與演化的新物理現象和物理規律，被稱為“希格斯工廠”。
目前，該項目與歐洲主導的未來環形對撞機、美國主導的繆子對撞機、日本主導的國際線性對撞機等處于競爭狀態。“在眾多主導‘希格斯工廠’建設的國家中，我國首先完成了環形‘希格斯工廠’的‘技術設計報告’。現在，團隊已經將CEPC的關鍵技術掌握在手中，關鍵技術設備均達到了設計指標。”中國科學院高能物理研究所研究員高杰在接受《中國科學報》專訪時說。
CEPC示意圖。中國科學院高能物理研究所供圖
“關鍵技術裝備達到世界先進水平”
記者發現，相較CEPC團隊于2018年底發布的“概念設計報告”，歷經5年寫就的“技術設計報告”信息更加明確，不僅包括加速器的布局設計、部件原型的詳細設計與樣機研制，還包括對3個潛在選址地點——秦皇島、長沙、湖州的評估。
“此前我們從理論層面評估了CEPC的預期指標，而這次我們成功研制了許多關鍵部件，證明了設計指標可以在技術上實現。”高杰介紹，“CEPC的關鍵技術裝備達到了世界先進水平，其中有些裝備還是世界上沒有的。”
650兆赫茲高功率高效速調管功率源，就是他所說的“世界上沒有的”裝備之一。
在加速器中，速調管功率源相當于粒子的“加油站”。普通加速器中的速調管功率源在1米左右，650兆赫茲速調管功率源大約有5米長。
“粒子在100公里的大環里跑，跑著跑著就沒勁兒了，所以我們在環的兩側分別安裝48套650兆赫茲速調管功率源，給跑圈的粒子補充能量，保證粒子速度接近光速。”速調管功率源團隊負責人、中國科學院高能物理研究所研究員周祖圣告訴《中國科學報》。
他介紹，目前基于國際成熟技術路線生產的速調管，能量轉化效率僅為60%至65%，而CEPC團隊研制的650兆赫茲速調管現已實現高功率輸出，能量轉化效率達到77%，滿足設計指標。下一步，團隊的目標是將能量轉化效率提升至80%，并在未來兩三年里實現剩余20%能量的回收再利用，將能量轉化效率進一步提升到85%至90%。
5米長的高效率功率源的速調管樣管。受訪者供圖
“每1%的性能提升，都非常重要”
CEPC團隊有一個共識：“每1%的性能提升，都非常重要。”
他們推著技術往極限走的動力之一，來自CEPC對裝備性能指標的高目標、高要求。
對此，CEPC超導加速器模組研究人員、中國科學院高能物理研究所研究員翟紀元感慨：“CEPC很大，所有設備都要達到最高的性能指標，否則整個裝置的‘負擔’太重。對我所在團隊做的超導高頻腔來說同樣如此，我們要把它加速粒子的性能往極限推。”
在北京懷柔的實驗廠房里，翟紀元所在團隊研制的1.3吉赫茲超導高頻腔就像一根穿了9顆“山楂”的“糖葫蘆”。8根“糖葫蘆”再連成一大串，被裝進12米長的黃色“筒子”里，這“筒子”便是科研人員所說的“超導加速器模組”。
“現在1.3吉赫茲超導高頻腔已經實現國產化，性能達到國際領先水平。下一步，我們的目標是進一步減少低溫損耗，提高每個超導腔加速粒子的能力。如果粒子每經過一個超導腔都能獲得更多能量，那么我們就可以相對減少腔的數量。”翟紀元說。
科研人員挑戰技術極限的另一動力，來自技術成果在其他裝置及領域的廣泛應用。
記者了解到，中國散裂中子源就需要高功率速調管來提供脈沖功率，以提高能量轉化效率；正在建設中的上海硬X射線自由電子激光裝置、大連光源等裝置，則需要安裝1.3吉赫茲超導高頻腔和超導加速器模組。
高杰介紹，CEPC的技術成果在滿足自身科學和技術要求的同時，也為國內其他大科學裝置設備的國產化提供了條件和幫助，為企業培育了高新技術和研發隊伍，推動國內相關企業成長為國際頭部企業。
“更高的技術性能，會讓國內相關企業更容易在激烈的國際競爭中取得領先地位。”高杰說，“高功率器件等設備不僅可以用在加速器上，還可能用在廣播通信、雷達、熱核聚變等其他領域中。而團隊在與企業合作的過程中，企業會將技術融入其他相關產品，提升其性能。”
1.3吉赫茲超導高頻腔（前）和超導加速器模組（后）。倪思潔攝
“窗口總有一天會打開”
高杰表示，在技術設計過程中，團隊不僅要考量技術性能，還要考慮工程、材料等因素。
“技術設計報告”顯示，CEPC總造價預計為364 億元，其中加速器、基礎設施和實驗分別為190億元、101億元、40億元。
“這一預算經過了審查委員會的嚴格審核。”高杰說，“接下來，CEPC團隊將繼續完成‘工程設計報告’，并與企業合作，實現關鍵技術設備產業化。”
高杰接受記者采訪。李子鋒攝
此外，記者注意到，“技術設計報告”的開頭有一份長達5頁的名單，署名者有1114人，來自38個國家。
高杰表示，作為全球“希格斯工廠”中首個出爐的“技術設計報告”，這份報告在高能物理界引起了廣泛關注，很多同行向他表達了對CEPC的信心。
“技術設計報告”上線后，《自然》對此進行了報道。在接受《自然》采訪時，CEPC“技術設計報告”審查委員會主席、歐洲核子中心物理學家Frank Zimmermann評價稱，“他們取得了巨大的進步”；CEPC國際咨詢委員會成員、香港科技大學物理學家Andrew Cohen則表示，“中國有能力在幾乎沒有國際研究人員幫助的情況下建造CEPC的加速器”。截至7月4日，“技術設計報告”專刊的訪問量近1700次。
“技術設計報告”顯示，如果能獲得政府批準，CEPC有望在2027年至2028年前后啟動建設，工期預計為8年，物理實驗數據收集可能從2035年前后開始。
“如果短期內無法立項，該怎么辦？”面對記者的這一問題，高杰說：“希格斯粒子是關乎宇宙起源和演化及物質質量來源等科學問題的基本粒子，這一點是全球公認的。建設‘希格斯工廠’不只是中國人的目標，也不只是一個學科的目標，而是全人類的目標。窗口總有一天會被打開，我們將通過這里看見科學通往未來的光和路。”
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https://doi.org/10.1007/s41605-024-00463-y
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