本世纪高能物理领域的重大里程碑--下一代直线对撞机技术方案之争尘埃落定

粒子物理的标准模型对构成微观世界的夸克和轻子及其相互作用给出了精确的定量描叙。它的预言为数以百计的实验所证实。然而，标准模型不能正确的解释在加速器上进行的一些实验和对宇宙进行的若干观测结果。暗物质、暗能量和中微子质量都要求超越现有认识的新物理。粒子物理学正处在重大发现的门槛，21世纪粒子物理学的任务就是探索这些问题的答案。欧洲核子研究中心（CERN）正在建造的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称LHC）就是从事上述前沿研究的关键设备。但由于环形电子对撞机向更高能区发展时遇到同步辐射能量损失随束流能量的四次方增长的困难，因此，国际高能物理界达成共识：在LHC之后,采用大型直线对撞机（Linear Collider，简称LC）作为新一代的高能物理对撞机。

大型加速器的建设从关键技术的研究，到方案的设计和建设调试，周期往往长达三十年以上，所以十多年前国际高能物理界就开始研究下一代的高能加速器-大型正负电子直线对撞机的关键技术，其核心就是加速技术。

拟议的直线对撞机是一台超高能量的正负电子对撞机，它由两台大型超导直线加速器组成，分别将正负电子加速到2500亿电子伏特的能量，质心系能量达到5000亿电子伏特，以后还可以提高到10000亿电子伏特。它将建造在总长约40公里的地下隧道里，预计最快也要等到2016年前后才能建成，造价高达数十亿美元。正因为直线对撞机造价高昂，全世界只可能建造一台。国际高能物理界对此早已达成了共识。

国际上从事LC关键技术研制有四个研究所：德国DESY的Tesla TTF、美国SLAC的NLC以及日本KEK的GLC，CERN的CILC。他们采用了各自不同的技术（常温或超导）、不同的加速结构。基本成熟的技术方案可归为两种：德国DESY 的L波段超导加速结构(2K)，称为"冷"技术（cool）；美国SLAC和日本高能物理研究机构（KEK）联合研制的X波段常温加速结构,称为"暖"技术（warm）。十多年来，这三个实验室都分别投入了数以千万美元的研究经费，建立了大型的试验装置。"暖"X-波段技术和"冷"超导技术，两种方案各有所长，并且都汇集了科学家和工程师们多年的研发努力，具有广泛的应用价值。但同时研发两种技术方案的代价昂贵而且费时，大家逐渐认识到只有国际合作才是建造LC的唯一途径，有关各国必须就关键技术方案达成一致，其预研、设计、建设、运行和科学研究必然广泛采取大规模国际合作的方式。

左上图为DESY-TESLA 示意图，中图为超导高频腔，右上图为其试验装置（TTF）

左上图为SLAC-NLC的示意图，中图为其试验装，右上图为加速装置示意图。

左上图为KEK-GLC，右上图为试验装置（ATF）

上图为CERN-CLIC

1976年，国际纯粹和应用物理协会建立了国际未来加速器委员会（International Committee for Future Accelerators，简称ICFA）。在2001年前，关于LC的讨论一直由ICFA主导。其作用和目的是推动国际上高能加速器的建造和运行，组织定期会议和各类研讨会，交流各区域设施的发展计划，研讨相关技术的发展。1995年以来，ICFA在推动直线对撞机研制方面做了突出的工作。

被称为“富国俱乐部”的经济合作与发展组织（Organisation for Economic Co-operation and Development，简称OECD）下属的专门讨论大科学装置的全球科学论坛（Global Science Forum，简称GSF）从2000年起也开始讨论LC。当时担任ICFA主席的日本曾反对GSF的介入，但后来，ICFA感到OECD/GSF由各国科技部长参加的讨论有利于在各国进行政府层面的协调，两者在LC的问题上慢慢接近，并决定定期召开联合会议。中国于2002年正式成为OECD/GSF 的观察员。

ICFA于2002年成立了国际直线对撞机指导委员会（International Linear Collider Steering Group，简称ILCSC），下设国际加速器技术评审委员会（International Technology Recommendation Panel，简称ITRP），也就是所谓的“聪明人委员会”，分欧洲、北美、亚洲三个区域，每个区域推荐4人。日本和韩国瓜分了亚洲的4个人选。主席由研究引力波的Barry C. Barish教授（右图）担任，左图为计划中今后数年内主导直线对撞机的组织构架。 2003年，国际未来加速器委员会委托ITRP对直线对撞机的两种技术方案进行评估。有关各方均表示，不论ITRP选定何种技术方案，都将无条件接受。

2004年初，ITRP成员分别访问了DESY、SLAC、KEK，原计划在2004年底向ILCSC推荐直线对撞机采用的技术方案。实际的进度超过了计划，2004年8月11-13日，ITRP在韩国浦项召开会议（左图），对两种技术方案进行了评估并做出了重要的决定。会上还决定成立全球设计组织（Global Design Organization，简称GDO），GDO将在2005年讨论经费的分担等问题。计划直线对撞机于2005年建立设计队伍进行概念设计，2007年开始技术设计。如果一切进展顺利，2008年选定建造地，2009年正式破土动工。

8月19日，ITRP在北京召开的特别会议上向国际未来加速器委员会作了推荐：将DESY的低温超导技术作为下一代大型直线对撞机的技术方案，获得了ICFA的批准。[Final International Technology Recommendation Panel Report(pdf)]

8月20日，在北京召开的第32届国际高能物理大会上，国际未来加速器委员会主席、美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）所长多尔芬（Jonathan Dorfan）教授（右图）正式宣布了国际未来加速器委员会19日特别会议上的决定：下一代大型直线对撞机的技术方案已经确定为低温超导，即采用工作在绝对温度2K（摄氏温度零下271度）下的超导加速结构，而不是工作在常温下X波段加速结构。CERN的CLIC技术虽然预期性价比较高，前景诱人，但技术它复杂，对束流的品质要求高，目前最乐观的估计也要到2009年才能完成技术研究。可以列为更远期的发展方向。在随后举行的中外记者招待会（下图）上向媒体发布了此条新闻。这一重大决定为国际高能物理界联合进行下一代大型直线对撞机的设计和R&D、确定造价，进而选择建造地（host country）奠定了基础。

决定宣布之后，有关各方遵守诺言，平静地接受了这个结果，毕竟下一代直线对撞机确定了发展方向，有关的研究所也看到了未来发展的希望，这是国际高能物理界的共同利益之所在。有关各国都将据此调整战略，其中SLAC和KEK受到很大的冲击，这意味着它们十多年来的心血、每年数以千万美元的投入、已经建成的大规模的实验装置都将放弃。两位所领导将要面对困难的思想工作，均感到了巨大的压力。

这项决定对中国高能物理研究未来的发展也同样具有十分的重要影响。LC是二十一世纪国际高能物理在LHC后高能量前沿研究的最关键设备。中国高能物理界必须积极参加LC及其探测器的设计、建设、运行和物理研究的国际合作。同时引进LC所采用的一些先进技术，对中国先进加速器的发展具有重大的意义。中国必须以适当的方式参与它的国际合作并在其中占有自己的位置。由于LC的发展高潮正好在完成北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCII）后北京谱仪（BESIII）取数的后期（约2012年左右），时机对我们十分有利。届时，国内对大科学的国际合作会日渐重视，投入可望有较大增加。目前，我们应将此作为中国发展高能物理的新机遇，在中长期发展规划中对LC的国际合作做出相应安排，制定参加LC国际合作的策略和计划，认真部署，积极建立合作渠道，选择重点，发展有自己特色的技术。有了扎实的基础，有了实力，才能在国际合作中有发言权，才能谈与谁合作、如何合作等问题，才能在LC的国际合作中占有一席之地。同时，硬X射线自由电子激光的加速器部分的关键技术都来自大型直线对撞机的研究，参加大型直线对撞机的国际合作也将为中国未来发展硬X射线自由电子激光装置奠定基础。

高能所科研处制作 资料来自IHEP、ICHEP04、DESY、SLAC、KEK等网站