國際直線對撞機

概述

科學家宣稱計畫建造更大的對撞機——國際直線對撞機

國際直線對撞機， (International Linear Collider），簡稱ILC，直線對撞機是一台超高能量的正負電子對撞機，它由兩台大型超導直線加速器組成。首期目標是分別將正負電子加速到2500億電子伏特的能量，質心繫能量達到5000億電子伏特，將建造在總長約30公里的地下隧道里，涉及大量最先進的加速器技術、探測器技術及其他通用高科技技術。ILC 的威力將遠遠超過以往任何一台正負電子對撞機，國際直線對撞機是計畫建造一個50公里(31英里)長的隧道，該計畫已列入討論日程，目前科學家正在積極尋求資金，該對撞機並不是採用質子碰撞的方法，而是對電子進行加速，使科學家繼續模擬140億年前大爆炸後宇宙形成瞬間的狀況。

正負電子-內部結構模型圖

設計構想

國際直線對撞機.

1、2005年8月，來自世界各地的600多名物理學家，齊聚美國科羅拉多州的斯諾馬斯，討論ILC的研發計畫。不過這一計畫的真正起點， 可以追溯到1989年， 當時CERN的大型正負電子對撞機(Large Electron-Positron COllider，縮寫為LEP)剛剛開始試運行。LEP在一個周長27千米的貯存環(storage ring)中加速正負電子，再讓它們對撞，對撞能量可達180 GeV。不過很顯然，LEP是同類加速器中規模最大的一個，今後也不會再建造更大的環形正負電子對撞機。原因很簡單，要把正負電子加速到萬億電子伏特，達到所謂的萬億能標，需要建造一個周長几百千米的圓環，它的造價是任何機構都不可能承擔得起的。
2、國際直線對撞機工程計畫環型電子對撞機向更高能區發展遇到了同步輻射能量損失隨束流能量的四次方增長的困難，為了向更高的能量和更深的層次進軍，直線對撞機作為未來的高能對撞機而得到世界各國的重視。世界上第一台直線對撞機是美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）的SLC，它利用SLAC的50GeV的直線加速器。在SLC中，正負電子束流分別經過兩個弧形傳輸線進入對撞區，實現了的對撞，驗證了直線對撞的原理。在這以後，世界上提出了多個直線對撞機的設計方案，形成了低溫超導和常溫常規兩種加速結構之爭。
3、環形加速器的主要障礙是同步輻射(synchrotron radlatiOn)：正負電子之類的較輕粒子在環中加速時，總是會遇到許多二極磁鐵(dipoe magnet)迫使它們轉彎，每次轉彎都會產生這種輻射，使粒子丟失一部分能量。因此，加速正負電子就會變得越來越困難，此類對撞機的造價將與對撞能量的平方成正比。也就是說，一台對撞能量比LEP大一倍的機器，造價會是LEP的4倍。(如果加速質子之類的較重粒子，能量丟失就不會那么嚴重； 因此LEP的圓狀隧道成了現在LHC的棲身之所。) 直線對撞機則是一個比較省錢的方案，它能避免環形加速器的那種同步輻射。在ILC的設計方案中，兩個11．3千米長的直線加速器(linac)分別加速正負電子，讓它們互相瞄準，在中間發生對撞。

工作原理

國際直線對撞機.

1、國際直線對撞機運行示意圖整台ILC機器總長將達到31千米，主要由兩個超導直線加速器組成，正負電子的對撞能量將達到500 GeV。(250GeV的電子與250 GeV的正電子迎頭相撞，就會產生質心能量為500 GeV的對撞：)ILC每秒將產生5次脈衝，每個脈衝持續1毫秒，能產生3000個正負電子束團，使它們加速並發生對撞。每個加速器的平均束流功率約為1萬千瓦。加速器將電功率轉換為束流功率的總效率約為20％，因此兩個加速器的耗電功率將達10萬千瓦。
2、為了產生電子脈衝，ILC將用雷射照射砷化鎵靶標，每個雷射脈衝可以打出數十億個電子。所有電子的自鏇方向都保持一致，這種性質被稱為“自鏇極化”(spin-polarized)，對研究粒子物理學中的許多問題來說非常重要。這些電子將在一段較短的超導射頻直線加速器中迅速加速到5 GeV，然後注入ILC中央一個周長6．7千米的阻尼環。電子在環中繞行並產生同步輻射，與此同時，電子束團被壓縮，體積減小，電子密度增加，因此實際上增加了束流強度。200毫秒後，電子束團離開阻尼環，每個束團的長度約為9毫米，直徑比頭髮還細。為了提高加速性能，並在與正電子束團發生碰撞時取得最好的效果，電子束團將被進一步壓縮到0．3毫米長。在這一壓縮過程中，電子將被加速到15 GeV。隨後，束團被注入長達11．3千米的超導射頻主加速器，並被加速到250GeV。
3、當電子在這個直線加速器中被加速到150 GeV時，這些粒子會拐個小彎，以便產生正電子束團。它們將被偏轉到一個被稱為“波盪器”(unduator)的特殊磁鐵中，將部分能量轉換為伽馬射線輻射出來。這些伽馬光子將被聚焦在一個每秒鏇轉1000次的鈦合金薄片上，產生大量正負電子對。正電子被收集起來，先加速到5 GeV，再注入另一個阻尼環，最終被送入ILC另外一側的另一個超導射頻主加速器中。 一旦正負電子被加速到250 GeV，並迅速向對撞點匯聚，一系列磁透鏡會把高能束團聚焦成扁平的帶；伏束流，寬640納米高6納米。對撞發生後，剩餘的束團會被引導到束流收集器上，該裝置可以安全地吸收正負電子，並耗散掉它們的能量。

結構組成

直線加速器

兩台12千米長的直線加速器——一台加速電子，一台加速正電子——加速粒子束團直到對撞點。每台加速器都由中空的結構——超導腔組成。超導腔位於一系列的低溫容器內，這些容器叫做低溫模組。低溫模組使用液氦把超導腔冷卻到-271℃，僅比絕對零度高一點，這樣就使腔處於超導態。電磁波充滿超導腔，推動粒子，並把它們加速到250 GeV的能量。每個電子或正電子束團含有約1000焦耳的能量，這相當於大約10兆瓦的平均束流功率。電子和正電子的產生、阻尼和加速等一系列過程每秒鐘重複5次。

超導腔

使用超導材料(例如金屬鈮)製造的超導腔被冷卻到接近絕對零度，射頻功率在超導腔中形成以一定頻率變化的電場。帶電粒子感受到電場力的作用而被加速。超導射頻腔幾乎不消耗能量，這意味著絕大部分電能都被用來加速粒子，而不是消耗在腔壁上產生熱量。 設計和製造理想的超導腔不是一件簡單的事情。1米長的超導腔是由9個單腔構成的。它要被拋光到微米級的表面光潔度，並不能含有雜質。一定的表面缺陷或者灰塵都會使超導腔失去超導電性，從而不能維持加速粒子所需的電場。超導腔在經過一系列仔細的化學處理和工藝過程後，表面變得近乎閃光。

國際直線對撞機.

頂點探測器

國際直線對撞機的對撞點位於巨大的探測器系統的中央，在對撞點周圍有一個酒瓶大小的小型徑跡探測設備--頂點探測器。這個高技術設備由許多柱狀矽探測器組成，總共有10億個像素，是如今最好的數位相機像素的好幾百倍。頂點探測器就像一架三維照相機，並像一台顯微鏡一樣，可以以微米級的精度測量對撞產生的粒子的徑跡，這些粒子中可能含有少數奇特的重夸克，它們在衰變到普通物質之前只能存在l0萬億分之一秒，這些重夸克在對撞點附近衰變並被頂點探測器探測到，這類重夸克將為發現新的物理現象提供線索。

束流輸運系統

為了使亮度儘可能大，粒子束團的尺寸必須非常小。在對撞點兩邊各有一個由一系列磁鐵組成的兩公里長的束流輸運系統。這個系統把正負電子的束團尺寸都壓縮到幾納米高、幾百納米寬。束流輸運系統還要刮掉偏離軌道的粒子，以保護敏感的磁鐵和探測器。磁鐵將改變心子和正電子束團的對撞姿態，使其頭對頭對撞。

粒子探測器

電子束團和正電子束團以接近光速的速度相向運動，最終以500 GeV的總能量實現對撞。兩個可以互換的龐大的粒子探測器將記錄這一壯觀的對撞過程。它們像巨大的照相機，對正負電子對撞產生的飛馳的粒子進行快速拍照。這兩 個探測器採用的技術不同，但是互為補充，都將使用最先進的技術來捕捉每個相互作用產生的各種粒子的寶貴信息。兩個探測器的聯合使用將對不易分辨的信號進行必不可少的交叉核對,這些信號可能預示著新的物理髮現。

阻尼環

高密度束團在探測器中可以產牛豐富的對撞事例，而電子和正電子束團在剛產生的時候都不夠緊密。國際直線劉撞機使用兩個周長6.7千米的阻尼環，一個電子環，一個正電子環，來解決這個問題。在每個阻尼環中，束團多次通過一系列扭擺器，在其中左右扭擺，變得更為緊密。每一個束團在阻尼環中的運動時間大約是五分之一秒，環繞約一萬圈之後被引出。磁鐵使粒子在阻尼環的圓形軌道上保持一定的運動軌跡，並對其進行聚焦。在阻尼環的出口處，束團長度為幾毫米，而厚度比人的頭髮的直徑還要小。

實施方案

1、在歐洲建造LEP的同時，美國能源部也在斯坦福直線加速器中心(SLAC)建造了一台與它競爭的對撞機，第一次把直線對撞機從概念變成了現實。這台機器用一個3千米長的直線加速器交替加速正負電子束團，使它們的能量達到大約50 GeV，再用磁鐵使沿不同方向注入貯存環，加速對撞。這台對撞機從1989年一直運行到1998年，雖然只用了一個直線加速器，算不上是真正的直線對撞機，但它鋪平了通向ILC的道路。

國際直線對撞機.

2、各國科學家研究討論相關技術確切地說，萬億能標直線對撞機的設計規劃工作，開始於20世紀80年代末到90年代初，當時物理學家提出了幾個相互競爭的加速技術。隨後10年裡，科學家在不斷完善該技術的同時，也將關注點集中在如何控制造價方面。2004年8月，由12名獨立專家組成的小組對所有的技術進行了評估，最終決定採納TESLA組提出的技術方案。TESLA組由德國漢堡電子同步加速器研究中心(DESY)領導，成員來自40多所大學和研究所。根據這套方案，正負電子將穿過一長串真空腔(cavity)。真空腔由金屬鈮(nioblum)製造，冷卻到極低溫度時會產生超導現象，可以毫無阻礙地傳導電流。超導現象能在真空腔內高效產生射頻振盪強電場，振盪頻率達到每秒十億次。正負電子就在這種不斷振盪的電場中加速沖向對撞點。 　
3、這種設計方案被稱為超導射頻(SCRF)。它的基本構造是一節節一米長的鈮腔，由9個能夠冷卻到2K的腔室構成。8—9個鈮腔首尾相連成一條直線，再浸入裝滿超冷液氦的冷卻罐之中。ILC有兩個直線加速器，每個需要大約900個冷卻模組，一共就要用到大約16000個真空腔。DESY的研究人員已經建造了10個冷卻模組，其中5今目前被安裝在DESY的自由電子雷射裝置FLASH上，這種裝置利用高能電子輻射雷射。DESY即：將造的歐洲X射線自由電子雷射器(European X-RavFree-Electron Laser，縮寫為XFEL)也將採用超導射頻技術，共需101個冷卻模組，它們構成的超導直線加速器可以將子能量加速到17．5GeV．
4、如果每節真空腔能夠產生更強的電場，ILC的直線加速器就可以造得更短，造價也將更加便宜設計組制定了一個富有挑戰性的目標：改進超導射頻系統，讓粒子每前進一米就獲得35 MeV(百萬電子伏特)的能量。已經有幾個原型試驗腔達到甚至超過了這一目標，但是這種設備的大規模生產仍有困難。實現這一目標的關鍵在於，確保真空腔內一塵不染、完美無瑕。製作真空腔並安裝到冷卻模組的整個過程，都必須在潔淨環境中完成。

未來模式

1、擬議中的國際直線對撞機（ILC）將建立在大型強子對撞機（LHC）的發現之上，以更高的精度仔細考察這一新領域，揭示其豐富的內涵和新的精細層次。國際直線對撞機可以使我們一睹僅在宇宙誕生百億億分之一秒時才能見到的高能量下的景象。大型強子對撞機和國際直線對撞機將共同帶給人們許多預料之中和意想不到的發現。國際直線對撞機為世界範圍內的科技合作指明了發展方向，其深遠的影響必將惠及其他領域。它將引領國際科技合作邁向一個新的高度，成為新世紀裡人類方興未艾的科學工程的典範。 　

國際直線對撞機.

　
2、μ-μ對撞機可以是e-e對撞機的競爭對手，更可能是它以後的高能加速器，兩者具有互補性。 ILC上的每個子系統都將挑戰技術極限，面臨重重工程難題。這台對撞機的阻尼環產生的束流品質，必須比現有電子貯存環高出好幾倍。在整個壓縮、加速和聚焦的過程中，束流的品質必須不受影響。這台對撞機必須採用精良的診斷系統、先進的調束工序和極為精確的準直技術。如何建造正電子產生系統，如何讓納米級束流瞄準對撞點，這些難題的攻克都需要科學家付出艱辛的努力。
3、建造一個能夠分析ILC對撞結果的探測器也是一項挑戰。舉例來說，要想測量希格斯玻色子和其他粒子的相互作用強度，探測器就必須測量帶電粒子的動量和它們的起始點，而且測量精度必須比以往的探測器高出一個量級。科學家正在研製新型徑跡系統和量能器，以便在ILC上取得豐碩的物理學成果。雖然ILC小組已經選定了對撞機的設計方案，但是還有更多的計畫有待落實。今後幾年內，LHC將採集和分析海量的質子對撞數據，我們也將努力最佳化ILC的設計方案，確保在合理的成本控制下，讓這台正負電子對撞機獲得最好的性能。
4、我們還不知道ILC將在哪裡建造，地點的選擇主要取決於哪個國家更願意為此計畫慷慨解囊。在最終選定之前，我們將繼續對歐洲、美國和日本的候選地點進行綜合分析。候選地點的地質結構、地形地貌和當地的法律法規，都會對建造方案的規劃和造價評估產生影響。最終ILC的許多設計細節都取決於對撞機的確切建造地點。 無論如何，只要科學家在LHC中發現了值得進一步探索的最佳研究目標，現有計畫都可以讓ILC全力以赴接手後續研究工作。
5、在從事技術設計開發的同時，我們還將創建ILC的管理模式，讓參與項目的物理學家人人都有發言權。這個雄心勃勃的承諾，已經在ILC的概念提出和設計研發階段的全球合作中實現，我們希望在對撞機未來的建造和運行過程中也能如此。

中國可能承建

國際直線對撞機(ILC)將耗費100億歐元(895億人民幣)，用來模擬140億年前大爆炸後宇宙形成瞬間的形態。中國是ILC設計研究的合作國家之一，據ILC國際設計團隊代表中國的國際合作負責人、中國科學院高能物理研究所的加速器物理學家高傑介紹說，ILC國際設計團隊將於2012年完成最新的對撞機ILC的設計報告。 他並表示中國應認真考慮參與ILC國際合作的方式，如適時申請承建ILC，並加大支持參與預研的經費力度，這對中國來說，是一次難得的通過國際合作發展自己的歷史機遇。

目前掌握ILC關鍵技術的國家有美國、法國、德國和日本等，中國近年來在超導加速技術方面正在迅速發展，通過積極參與ILC的國際合作，有望發展中國的超導加速器先進技術，並為中國其它需要相關技術的加速器建造奠定堅實的技術基礎。