作者：靳鬆 婁辛丑 阮曼奇 徐慶金 朱宏博

　　中國科學院高能物理研究所)

　　摘要環形正負電子對撞機(CEPC)是中國高能物理學界提議建造的、下一代大型正負電子對撞機。CEPC不僅可作爲Higgs粒子工廠而運行，也可產生海量的Z玻色子以及W玻色子，進而從Higgs物理、電弱精密測量、味物理和QCD等各個方面對粒子物理標準模型進行全面、細緻的驗證，並以此來揭示標準模型背後的物理規律。自倡議以來，我國高能物理學界對CEPC項目的物理潛力及其各項關鍵技術進行了積極的研究，並於2018年11月正式發佈了CEPC的概念設計報告。這意味着CEPC項目的初步設計藍圖已經完成。文章在CEPC《概念設計報告》的基礎上簡介了其物理潛力及相關技術的研究進展。

　　關鍵詞環形正負電子對撞機，希格斯玻色子，精確測量，標準模型，新物理

　　1 粒子物理和標準模型

　　粒子物理負責回答人類最古老、最深刻的兩個問題，即世界是由什麼組成的，以及它們的運行規則是什麼。藉助不斷進步的技術手段，人類對這兩個問題的理解也在不斷加深。人們不斷髮現原有理論的缺陷，在修正和革新中一步步完善對自然的認識。

　　時至今日，我們對自然界的認識被總結爲粒子物理的標準模型(Standard Model)。標準模型預言了三種粒子：自旋爲1/2 的費米子，自旋爲1 的規範玻色子，以及自旋爲0 的Higgs 粒子(圖1)。在標準模型看來，我們的物質世界由費米子(自旋爲1/2)組成，而運行規律則通過玻色子(自旋爲0或1)的交換來實現。這種交換不僅發生在費米子之間，同樣也發生在玻色子之間(自相互作用)。費米子和規範玻色子中的W、Z 粒子都通過和Higgs 場的相互作用獲得質量，因此Higgs 場也被人們稱爲質量之源。

　　標準模型是一個極爲成功的理論，它精確地描述、預言以及詮釋了粒子物理加速器實驗中觀測到的幾乎所有實驗現象。標準模型通過優美的數學結構(規範場)統一描述了自然界中三大基本相互作用力：電磁力、弱力和強力。直至今天，標準模型的發展和驗證獲得了近三分之一的諾貝爾物理學獎。它不僅是粒子物理學科發展的主旋律，也是人類智慧的一首壯麗史詩。

　　雖然標準模型取得了巨大成功，它本身卻很難被認爲是一個終極理論。在對撞機實驗之外，標準模型無法解釋一系列極爲重要、極爲基本的自然之謎，比如暗物質、暗能量、真空能、宇宙暴漲及演化、宇宙中物質的正反不對稱性等一系列和宇宙演化相關的基本問題。另一方面，標準模型導致了一系列的理論疑難。比如，標準模型中的頂夸克和電子在質量上相差30 多萬倍，而在標準模型看來，這兩者的質量起源是完全一致的——這是很難讓人信服的。在標準模型的面紗下，必然隱藏着大自然更深邃、更優美的奧祕[1，2]。

　　Higgs 粒子是我們進一步理解自然的關鍵。它同標準模型中的絕大部分理論疑難直接相關。Higgs 粒子是標準模型中唯一的、自旋爲0 的標量粒子(圖1)。Higgs 場決定了所有粒子的質量。質量是物質最基礎的屬性之一，因此，Higgs 場極大地決定了宇宙的面貌。比如，Higgs 場決定了電子的質量，因此確定了原子的尺度；它決定了W、Z 粒子的質量，進而決定了弱相互作用的力程和強度。Higgs 粒子同其他粒子的相互作用對宇宙形貌的影響是極爲深刻的，它們的微小改動，都可能導致宇宙中無法演化出和我們類似的生命；甚至會導致宇宙本身的不穩定性，乃至決定宇宙最終的宿命。正因如此，Higgs 粒子是標準模型中最奇妙、最令人着迷的粒子之一，它被認爲是通向標準模型背後更深刻的物理原理的理想探針。所以，當Higgs 粒子被發現後，對其性質的精密測量立刻被提上日程。恰如美國普林斯頓高等研究院的著名理論家Nima Akani-Hamed 教授所言，“Higgs 粒子……是深刻的新原理的預兆，粒子物理學界無疑要和Higgs 粒子研究死磕到底”[2]。

　　圖1 (a)標準模型基本組分粒子；(b)標準模型粒子之間的相互作用

　　2 Higgs 粒子工廠：強子Vs 正負電子，直線Vs環形

　　爲了探索亞原子級乃至更小的結構，我們需要藉助粒子加速器。加速器把微觀粒子加速到越來越高的能量，以此來探索越來越小的結構。爲了記錄加速器所產生的關鍵信息，人們通過粒子探測器來測量並記錄末態粒子的能量、動量、種類信息。有些粒子物理實驗是不需要加速器的，比如宇宙線實驗(地面、高空、太空)、部分中微子實驗等等，但所有的實驗都需要探測器。

　　爲精確測量Higgs 粒子性質，我們需要Higgs粒子工廠。發現了Higgs 粒子的大型強子對撞機(LHC，圖2)本身就是強有力的Higgs 粒子工廠。時至今日，LHC已生產了數以千萬計的Higgs 粒子，而其高亮度升級計劃(HL-LHC)則將帶來數以億計的Higgs 粒子。另一方面，由於LHC的對撞粒子——質子參與強相互作用，質子—質子的反應截面非常大，這意味着LHC上的本底噪聲水平非常高。事實上，在100 億個質子—質子的對撞事例中只能產生一個Higgs 粒子。極高的本底水平導致LHC上產生的99%以上的Higgs 粒子事例無法被甄別記錄。同時，在標準模型看來，質子並不是基本粒子，而是由夸克—膠子等成分組成的複雜系統，這意味着對撞的初態難以準確確定，也意味着難以控制的理論誤差。這些不利因素，使得LHC難以進行Higgs 粒子性質的精確測量。模擬研究表明，在高亮度升級的情況下，LHC可將Higgs 粒子性質測量測到5%—10%的極限相對精度。通過LHC上已經產生的Higgs 粒子事例，人們初步確定Higgs 粒子的性質基本同標準模型預言相吻合。這也意味着，我們需要在更高的精確度下對Higgs 粒子性質進行測量。

　　圖2 大型強子對撞機及其上的4個大型實驗

　　相比於強子對撞機，基於正負電子對撞機的Higgs 粒子工廠具有巨大的優勢。正負電子是標準模型下的基本粒子，這意味着正負電子對撞機的初態是精確可知且可調的。在合適的對撞能量下，每100—1000 次正負電子對撞中就會產生一個Higgs 粒子事例，其信噪比比強子對撞機提高了一億倍。在先進的探測器系統的支持下，幾乎所有的正負電子Higgs 工廠上的信號事例都可以被甄別、記錄。除此之外，正負電子Higgs 工廠還可以對Higgs 粒子性質進行模型無關的精確測量。正負電子Higgs 工廠可將Higgs 粒子性質測量到0.1%—1%的相對精度，超出LHC的極限精度達一個量級。

　　正負電子對撞機是極有吸引力的、高精度的Higgs 粒子工廠。國際高能物理學界普遍認爲，建造正負電子Higgs 工廠是未來高能物理對撞機實驗發展的必由之路，並倡議了多個正負電子Higgs 工廠技術方案。這些方案中包括了歐洲核子中心倡議的未來環形對撞機(FCC)[3]和緊緻直線對撞機(CLIC)[4]，可能被建設於日本的國際直線對撞機(ILC)[5]，以及由我國高能物理學界提議的環形正負電子對撞機(CEPC)[6—8]。這些被倡議的正負電子Higgs 工廠可以被分爲兩大類：直線對撞機和環形對撞機。前者包括CLIC和ILC，後者包括FCC和CEPC(圖3)。

　　圖3 可能的正負電子Higgs 粒子工廠：ILC(a)，FCC(b)，CEPC(c)以及CLIC(d)。其中FCC和CLIC示意圖中，白色小圈代表LHC

　　爲了理解直線對撞機和環形對撞機的優缺點，我們需簡單瞭解同步輻射這一物理現象。牛頓定律告訴我們，物體總是傾向於保持勻速直線運動狀態；微觀帶電粒子運動狀態的改變將導致同步輻射光子的發射。同步輻射功率同帶電粒子的能量/靜質量之比( γ )的四次方成正比，並反比於其軌道偏轉的曲率半徑的平方。由於電子是標準模型中最輕的帶電粒子，這意味着環形軌道上的正負電子可產生功率巨大的同步輻射(在正負電子Higgs 工廠中的γ 因子可達近百萬)。這一方面限制了環形正負電子對撞機的質心能量，另一方面，也使得各種基於正負電子加速器的同步輻射光源成爲可能。爲了控制同步輻射功率，我們可以建造大型環形對撞機(通過巨大的曲率半徑來限制同步輻射功率)，或者可以建造軌道曲率半徑無窮大的直線對撞機，對應着上文提到的兩大類正負電子Higgs工廠。

　　對撞機上物理事例的產率是其反應截面和對撞機亮度的乘積。換言之，亮度體現了Higgs 工廠的生產率和總產量。對環形正負電子對撞機而言，在限制了同步輻射總功率的情況下，其亮度隨質心能量的3 次方壓低；而直線對撞機原則上不受同步輻射總功率的限制，其亮度隨質心能量緩慢增加。因此，就亮度而言，環形正負電子對撞機在較低的質心能量上佔優；而直線對撞機則在高能區佔優，如圖4 所示。同時，直線對撞機上僅有一個對撞點，而環形對撞機上則可同時擁有多個對撞點，意味着環形對撞機上可同時運行多個探測器、進行實驗取數。由於Higgs 粒子的質量是125 GeV，質心能量爲240—250 GeV的正負電子對撞即可有效產生Higgs 粒子。在這個能區，環形正負電子對撞機相對於直線對撞機有亮度上的優勢。

　　圖4 正負電子Higgs 工廠上亮度與質心能量的關係

　　[9]。其中CEPC的總功耗被限制在較低水平，導致其亮度比FCC略低

　　相對於環形對撞機，直線對撞機有兩個突出的優點。第一，直線對撞機的質心能量基本同對撞機長度成正比，相對於環形對撞機，可以相對簡單地提高其質心能量，在現有技術下質心能量原則上可以比環形正負電子對撞機提高近一個量級；第二，直線對撞機上原則上可以實現對撞粒子的縱向極化，這對很多物理測量是有優勢的。在這個意義上，環形對撞機和直線對撞機擁有相當的互補性。

　　瞭解了質子對撞機和正負電子對撞機，以及直線對撞機和環形對撞機作爲Higgs 工廠的比較優勢，下面重點介紹我國高能物理學界倡導的CEPC 項目。CEPC 的主環周長長達100 km，是LHC 的近4 倍大。其總造價約爲360 億人民幣，相當於北京5 號線地鐵造價。在240 GeV 的質心能量下，CEPC 上預期將產生一百萬Higgs 粒子，其產額比直線對撞機的代表ILC 大近6 倍，這意味着精確度上的巨大優勢。圖5 演示了CEPC 上一個特徵的Higgs 事例。同時，在相對較低的質心能量下，CEPC 可進行豐富的物理測量：它可在91.2 GeV 的質心能量附近作爲Z 粒子工廠運行，並在161 GeV附近的質心能量下進行W粒子閾值掃描。CEPC 上預期可以在極低的本底噪聲下產生上億W粒子，以及數以千億計的Z 粒子。它不僅可以對Higgs 粒子進行精確測量，同時可以以超過現有水平達一個量級的精確度對電弱可觀測量進行測量，同時，CEPC 可進行豐富的味物理、QCD測量。一言以蔽之，CEPC 可在各個方面，對標準模型進行精確的測量/驗證，進而進行新物理規律的探索。同時，CEPC 項目還可以作爲能量極高的同步輻射光源運行，繼而爲包括核物理、凝聚態、生物、醫藥研究在內的其他學科發展提供技術支持。

　　圖5 模擬產生的CEPC上的Higgs 事例

　　環形正負電子對撞機還可以被升級爲質子對撞機。由於質子的靜質量比正負電子大近2000倍，質子對撞機質心能量受同步輻射功率的限制要遠小於正負電子對撞機，這意味着質子對撞機的質心能量可以遠超正負電子對撞機。CEPC 可以被升級爲超級質子對撞機(SPPC)，其質心能量將高達100 TeV，超過目前的LHC 達一個量級。除質子對撞外，SPPC 上還可運行重離子對撞，對宇宙極早期行爲進行探索。CEPC 項目及其後續的SPPC 項目的生命週期長達數十年，一旦建成，將不斷爲粒子物理探索提供重要的前沿數據。

　　除了正負電子對撞機和質子對撞機之外，粒子物理學界也在積極探索其他類型的Higgs 粒子工廠，包括光子對撞機、Muon子對撞機、等離子體加速技術等等[10]。綜合考慮物理潛力、可行性、造價以及項目時間線，正負電子對撞機，特別是我國倡導的CEPC 項目，在諸多選擇中擁有巨大優勢。這一點得到了國內外高能物理學界的一致共識。2013 年的香山會議指出，“CEPC—SPPC 項目是我國高能物理髮展的重要機遇”。2014 年，ICFA就CEPC項目和未來高能物理髮展表態：“ICFA支持能量前沿環形對撞機研究並鼓勵全球協調”，“ICFA鼓勵國際環形對撞機研究，其最終目的是能量遠超LHC 的質子— 質子對撞”。2016年3月的亞洲未來加速器委員會(ACFA)和亞洲高能物理委員會就ILC，CEPC與高能物理未來發展發表聲明：“過去幾年，對大型環形對撞機的興趣一直在增長。這首先是一個希格斯工廠，最終成爲一臺高能質子—質子對撞機。我們鼓勵中國領導的這個方向，並期望儘快看到技術設計完成”[1]。2016 年8 月，中國物理學會高能物理分會年會明確表示，“CEPC是我國未來高能加速器物理髮展的首選項目”。

　　3 概念設計報告：CEPC 離我們有多遠？

　　2012 年，國內高能物理學界開始進行CEPC項目的討論。2013 年9 月，CEPC 工作組正式成立(圖6)。2015 年初，CEPC 工作組發佈了CEPC的《預備概念設計報告》[6]，這一報告明確了CEPC項目的可行性。報告認爲CEPC項目不存在原理性的困難，同時，報告甄別出大量需要仔細研究的關鍵技術。根據CEPC預備設計報告，CEPC工作組進行了大量的科研攻關，完成了對撞機、探測器上一系列關鍵技術的預研。2018 年11月，CEPC 研究工作組在北京正式發佈CEPC 的兩卷《概念設計報告》(CDR)[7，8]，這意味着CEPC 項目的初步設計藍圖完成。

　　圖6 2013 年CEPC—SPPC項目啓動會合影

　　CEPC 的概念設計報告包括《加速器卷》和《探測器和物理卷》兩部分。《概念設計報告》給出了對撞機和探測器的基線設計( 圖7，8)，意味着我們得到了“在紙面上可以運行的對撞機— 探測器設計”。其中《加速器卷》介紹了加速器整體設計， 包括直線加速器、阻尼環、增強器和對撞機。另外，還介紹了低溫系統、土木工程、輻射防護等一系列重要支撐設施，並討論了CEPC升級的可能選項。《探測器和物理卷》展示了CEPC 的物理潛力，介紹了探測器的設計概念及其關鍵技術選項，重點對CEPC 的探測器和物理研究做了深入評估，並討論了未來探測器研發和物理研究的初步計劃。根據該設計報告，CEPC的主環周長長達100 km，是目前世界上最大的高能物理對撞機——LHC主環周長的4 倍。CEPC上將至少會有兩臺探測器同時進行科學實驗。

　　圖7 CEPC對撞機系統主要結構

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　　圖8 CEPC上的基線探測器剖面圖

　　[8]

　　CEPC 項目擁有巨大的物理潛力和比較優勢，不僅獲得了國內物理學界的全力支持，也得到了國際高能物理學界的積極參與。來自近140個國際研究機構的近300 名外國物理學家積極參加了CEPC《概念設計報告》的研究。

　　CEPC《概念設計報告》的完成受到了廣泛的讚譽和支持。國際未來加速器委員會和亞洲未來加速器委員會主席、墨爾本大學教授Geoffery Taylor評價：“這是CEPC這樣一個用於基礎研究的大型科學裝置的重要發展里程碑”，“毫無疑問，國際高能物理界非常希望參加CEPC的研發和將來的科學實驗，這將會大大促進對物質最基本組成單元的進一步理解。”2017 年諾貝爾物理學獎獲得者、加州理工大學教授Barry Barish(領導LIGO實驗發現引力波)祝賀說：“加速器的發展歷史是實現越來越高的能量，並在過去幾十年中一直都是衆多粒子物理重大發現所依賴的核心工具。而CEPC 將延續這一偉大傳統！我衷心祝賀CEPC《概念設計報告》團隊做了如此出色的工作。”

　　CEPC 項目團隊計劃以《概念設計報告》爲基礎完成關鍵技術預研，計劃於2018 年至2022年間建成一系列關鍵部件原型機，驗證技術和大規模工業加工的可行性。按照目前的進度安排，CEPC 將在5 年左右的時間內完成《技術設計報告》，這將是CEPC 項目的最終藍圖，《技術設計報告》的完成意味着CEPC 項目的建設即可啓動。一旦獲批，項目的建設需要7—10 年左右的時間，因此，在樂觀的情況下，我們將在2030 年左右獲得來自CEPC的第一批實驗數據[11]。

　　4 CEPC 對高精尖技術的依賴和推動

　　在人類目前已經建立的正負電子對撞機中，大型正負電子對撞機(LEP)是在質心能量和對撞機尺度上最接近CEPC 的。LEP 是LHC 的前身，它於1989 年至2000 年運行在位於日內瓦的歐洲核子中心。LEP 上產生了數以千萬計的Z 粒子和大量W粒子，對標準模型中的電弱可觀測量進行了非常精確的測量。2001 年，LEP 開始進行到LHC 的升級， 後者於2009 年開始對撞， 並在2012年宣佈了Higgs 粒子的發現。

　　CEPC的主環周長比LEP提高了近4 倍。運行於Higgs 工廠時，CEPC的質心能量比LEP最高質心能量提高了15%，而其亮度則比LEP 提高了近3 個數量級。運行於Z工廠模式下時，CEPC的亮度則比LEP 提高了4 個量級以上。更高的亮度意味着更大的物理事例產額，意味着需要對撞機技術上的重大突破；同時，更高的亮度也意味着CEPC 需要更加精良的探測器系統，意味着需要探測器設計、製造上的重大突破。

　　大型對撞機和探測器是需多種尖端技術支持的綜合系統，是工業皇后皇冠上的明珠。CEPC的加速器系統包括有電子/正電子源、直線加速器、超導高頻、高效率速調管、大功率電源、磁鐵、低溫、冷卻、真空、準直、束流測量、輻射防護、控制、機械、對撞區等數十個核心子系統。而CEPC 的探測器則由高精度頂點—徑跡系統、量能器、磁鐵—軛鐵子系統組成，同時包括有配套的機械、準直、冷卻、電子學、數據存儲和處理系統。同時，CEPC 工作組對對撞機和探測器的設計、優化、關鍵技術攻關、物理及工程樣機的製備均進行了大量的工作，在子系統研究方面取得了大量進展。

　　舉例而言，高頻系統是對撞機的核心組件，其作用是爲粒子提供加速電場，加速到所需的能量。對於高頻系統，CEPC 預期將採用世界上先進的低溫超導加速器技術。CEPC 主環和增強器將分別採用650 MHz和1.3 GHz 的超導腔實現(圖9)。超導腔除了選用傳統超導高頻技術中所用的高純鈮外，還將使用目前世界上前沿的摻氮技術，進一步減小超導腔本身的能量損耗。此外，還將完善一些列的超導腔處理工藝和設施，如超導腔電拋光裝置，使我國的超導高頻技術步入世界領先水平。爲了維持超導狀態，高頻腔被安裝在工作溫度爲4 K、長度爲11 m的低溫單元中，CEPC的主環上將安裝40個低溫單元，如圖9，10所示。

　　圖9 CEPC 主環上的、650 MHz超導高頻腔樣機及其垂直測試

　　[12]

　　圖10 CEPC主環上的低溫單元設計圖。整個系統利用液氦冷卻穩定在2 K的低溫，以保持650 MHz超導高頻腔正常工作

　　[7]

　　高效速調管是CEPC 所需的另一個關鍵技術。速調管產生大功率微波，並以其在高頻系統中建立起強電場，以加速粒子束團。目前，百千瓦量級的連續波速調管功率僅在60%，也就是說有近一半的能量將在速調管部分損失。因此，CEPC 項目開展了高效速調管的研究，可使速調管的輸出功率和工作效率提高到800 kW及80%以上。爲達到這一目標，研製中，不僅在關鍵技術上有着新的突破，還將提出新的理論和方法。速調管作爲最重要的微波電真空器件之一，不僅用於加速器領域的大科學工程，在國防科技和工業領域也有非常廣泛的應用，如雷達、通訊廣播等。

　　磁鐵對CEPC 對撞機和探測器都極端重要。在對撞機上，磁鐵系統負責將束流粒子約束在預期軌道內，調控束流束團的幾何，並最終實現高亮度的對撞。在探測器上，磁鐵系統包括有大體積的螺線管磁鐵和前端安裝的反螺線管系統。前者保證了物理事例中徑跡動量的準確測量，而後者則保證了對撞機的高亮度運行。CEPC 項目研究涉及多種磁鐵系統，其技術要求和技術難點各不相同，其中包括增強器磁鐵、主環磁鐵、對撞區磁鐵，以及質子對撞機高場磁鐵等等。圖11 顯示了目前CEPC 主環上的幾種主要磁鐵的設計截面圖。目前，增強器磁鐵重點開展了最低工作磁場爲30 G的高精度低場二極磁鐵的研製。這一工作在國內外均屬於首次，研製過程中一些全新方案、工藝、乃至磁場測量將被採用，這將爲同類磁鐵的研製奠定基礎。主環磁鐵研製的一個重要方向爲高精度永磁二極鐵的研製。目前，世界上大型加速器工程所採用的均爲電磁鐵，其優點在於控制的便捷，然而從另一方面，則需要電源及電功率爲其配套。因此，永磁鐵研究的開展不僅可以降低磁鐵系統的造價，也將大幅節省對撞機的運行費用。本課題的開展中將需要對一系列難點攻關，如對永磁材料抗輻射性能進行系統的研究，實現在較大範圍內對永磁磁鐵場強的調節，對永磁材料的溫度係數進行精細的補償等。此外，該磁鐵的研究將以雙孔徑磁鐵爲基準開展，即一塊磁鐵可以同時滿足兩個束線的使用，其孔徑間距僅爲幾十釐米，這不僅降低了磁鐵的造價，也將使對撞機本身的結構更加緊湊，從而降低隧道的尺度。高場磁鐵是高能質子對撞機的核心組件，其磁場強度直接決定了質心能量。

　　圖11 CEPC主環上的二級、四級及六級鐵的設計圖截面

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　　高場高溫超導磁體在能源、運輸、軍事等方面均具有不可估量的作用。通過高溫超導磁體的研究，人們希望能夠將其性能提升10 倍、造價壓縮10 倍，達到大規模量產和應用的程度。CEPC—SPPC 加速器周長100 km，其建設需要成千上萬個超導磁體，因此未來高能量粒子加速器的建設，對超導材料的性能及造價都提出了挑戰。

　　爲了這個目標，2016 年CEPC 工作組聯合國內的18 家單位，包括科研機構和企業，成立了實用化高溫超導材料產學研合作組。經討論論證，認爲鐵基超導材料的高場性能和規模化線材製作成本等方面具有顯著優勢，合作組明確了基於鐵基超導體的基本技術方案。在各成員單位的高效協作下，該合作組若干研究工作已經取得了若干突破性進展：

　　1)鐵基超導材料的短樣電流密度已經突破了1450 A/mm2，處於國際領先水平；

　　2)研製的國內第一個高場超導二極磁體，在4.2 K、兩個孔徑內最高磁場達到了10.2 T(圖12)；

　　3)國際上首次完成了鐵基超導線圈高場性能測試，實驗驗證了鐵基超導高場應用的可行性。

　　圖12 高場超導二極磁體樣機及其性能測試結果

　　[12]

　　這些研究確立了我國在高場加速器磁體技術領域的國際先進地位[13，14]。

　　CEPC 探測器設計中將使用先進的半導體探測器技術以及讀出電子學技術。在過去的幾十年中，得益於LHC等實驗應用需求以及半導體工藝的快速發展，半導體探測器和電子學的性能得到不斷提升。性能的提升也進一步拓展其在其他輻射探測和輻射成像領域的廣泛應用。研發中所積累的器件抗輻照設計、輻照加固等技術也能夠爲其他領域的應用、設計提供直接或間接的參考。針對未來高能物理及其他相關領域若干重要應用，硅徑跡探測器技術發展將主要體現在傳感器工藝和設計、前端電子學工藝及設計、集成硅探測器、先進連接技術等重要方面，持續提升硅徑跡探測器性能。

　　國際上硅徑跡探測器技術快速發展，而國內由於起步較晚且由於存在抗輻照工藝禁運等問題，在技術水平方面與國外前沿存在明顯差距。以筆者所在的中國科學院高能物理研究所爲例，近年來針對先進光源同步輻射探測、成像的需求，利用國內廠商提供的CMOS工藝，成功研製前端讀出電子學ASIC 芯片，主要性能已接近國外同類產品。與國內研究所設計、製作的硅像素傳感器集成，逐漸開發出符合設計指標的整機系統。此外，還積極參與LHC實驗探測器升級，通過國際合作的方式，努力打破技術禁運的同時通過參與實際研發項目提高硅徑跡探測器設計水平。所參加的ATLAS實驗硅微條徑跡探測器升級課題所需經費部分已經得到國家重點研發計劃支持。與此同時，基於已有設計經驗，我們也在自主研製高性能的集成式硅探測器，滿足未來對撞機實驗的需求，並積極拓展應用範圍。伴隨着國家對於半導體工藝的持續投入，將有機會更多嘗試國內工藝廠商提供的工藝，研製高性能的硅徑跡探測器，走向國際前沿。

　　除上述硬件研究外，CEPC 上的數據處理也將涉及大量的算法、軟件、計算方面的先進技術。以目前CEPC項目的基線重建算法——Arbor粒子流算法爲例，該算法能夠準確重建CEPC 上Higgs 粒子事例中產生的所有關鍵物理標的物，進而對探測器信號進行全面準確的物理詮釋，見圖13。爲充分發掘CEPC 的物理潛力， 追求CEPC 上物理可觀測量的極限測量精度提供了工具和保障。與此同時，CEPC 工作組也在積極進行機器學習、並行計算等技術的測試和研究。爲高效處理海量的物理事例進行前期準備。

　　圖13 Arbor 算法重建出的τ輕子信號(a)，及其重建出的、強子末態下的W、Z和Higgs粒子信號(b)。圖中可見，目前CEPC 的基線探測器—重建算法可有效區分W、Z 以及Higgs 粒子，這對CEPC的物理潛力至關重要

　　CEPC 的對撞機和探測器系統均爲涉及多種高精技術的複雜系統。CEPC 項目研究的核心之一就是多種關鍵技術的開發、驗證、以及大規模工業量產。爲了推動上述研究和工業化，在2017年11 月，CEPC 產業促進會(CIPC)於北京成立，目前已吸引了50 多家在業內領先的工業企業參加，其技術範圍包括超導、微波、低溫、精密儀器、控制、電子、芯片、真空、計算、土建等方面。CIPC 爲CEPC的技術預研、關鍵部件和裝備製造、產業化、建設以及推廣應用提供了重要的支撐平臺[15]。同時，隨着CEPC 項目研究的進一步深入，各子系統技術指標的進一步深化細化，CEPC 產業促進會的規模和影響力還將進一步提升。

　　CEPC 的建造也將對我國經濟、社會、文化、教育乃至外交等方面產生深遠影響。在此不再詳述。

　　5 小結

　　經過半個多世紀的發展，人類對粒子物理世界的認識被總結爲粒子物理的標準模型。作爲最後一個被發現的標準模型粒子，Higgs 粒子爲粒子物理的進一步探索，爲尋找標準模型背後的、更爲基礎的物理規律，提供了極佳的探針。

　　由我國高能物理學界倡導的CEPC 項目擁有巨大的物理潛力。它是高精度的Higgs 粒子工廠，其預期精度超過高亮度LHC 的極限精度達一個量級；在電弱精密測量方面，CEPC 的預期精度將超過現有水平一個量級以上。同時，CEPC 可通過味物理和QCD 精確測量對標準模型進行全面、細緻的驗證。CEPC 的後續升級——超級質子對撞機，可以在比LHC高一個量級的質心能量下，對超出標準模型的新物理現象進行直接探索。因其在科學上的巨大意義，CEPC 項目得到了國內外高能物理學家的高度讚賞、積極參與和大力支持。

　　針對CEPC 項目的物理潛力及其所需的各項關鍵技術，CEPC 工作組進行了積極的預備研究，並於2018 年11 月份發佈了《概念設計報告》。該設計報告是CEPC 項目的初步設計藍圖，它不僅全面驗證了CEPC 項目的可行性，同時明晰了未來重點研究的方向。CEPC 工作組將繼續深入進行相關預備研究，預期將在5 年內完成《技術設計報告》，一經完成，CEPC 項目即可進行建設。在最樂觀的情況下，CEPC 將於2030 年左右建設完畢，並開始取數。

　　CEPC 需要高精尖的工業技術支持。針對CEPC 項目所需的各項關鍵技術，在2017 年11月，CEPC 產業促進會(CIPC)於北京成立，目前已吸引了50 多家在業內領先的工業企業參加，其業務範圍涵蓋了CEPC 所需的多種先進技術。相輔相成，CEPC 的建設也將帶動一大批高新技術的成熟成長，將在我國技術創新、技術積累和產業升級方面發揮龍頭作用。事實上，粒子物理實驗一直在挑戰現有工業技術的極限，也一直是新技術的源頭。

　　知識和技術是互爲表裏的，每次認知的巨大進步，都蘊含當時無法想象的技術突破；對自然真理海洋的不斷探索，總是給人類帶來巨大的驚喜和力量。我們期待着對CEPC 的探索將帶給我們全新的知識，也期待着這些知識背後蘊藏的無限可能。

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　　本文選自《物理》2019年第3期