计划中的粒子加速器

小心愿

听说中国要建造一个周长100公里的巨型正负电子对撞机，名曰CEPC. 建成后的CEPC中心对撞能量将达到350GeV, 不但可以产生Higgs玻色子，而且还能直接观察顶夸克。之后，再在CEPC的基础上用同一轨道建造中心能量高达100TeV的质子对撞机，暂时命名为SppC. 如果建成，Sppc的中心能量将是LHC的13倍。虽然现在只有初步方案，不过似乎他们已经在认真的讨论经费与收益。

现在欧洲Cern运行的LHC, 以及之前费米实验室的Tevatron, 以及更早的轻子对撞机LEP, 都属于同步加速装置。同步加速器与回旋加速器类似，都是使带电粒子在环形轨道中加速以达到超高能量。与回旋加速器不同的是，同步加速器中的电场与磁场并不是均匀的变化，使粒子获得的能量也更高。同步加速器可以既可以加速轻子（其实只有电子，因为其他的轻子不稳定），也可以加速强子（一般用质子），也可以加速更大质量的粒子（比如铅核）。当然，加速的粒子必须带电。加速轻子的一般叫做正负电子对撞机，比如之前的LEP. 加速强子的叫做强子对撞机，比如LHC就叫大型强子对撞机。之前的Tevatron也是强子对撞机。

强子对撞机对发现新粒子有很大好处，因为可以做到很高的能量。但是从测量的角度讲，正负电子对撞机远比强子对撞机有效得多。这是因为电子本身就是基本粒子，而质子还要分解成夸克。分裂的过程无疑消耗了能量，而且增加了计算的不确定性。比如LHC, 最高的中心对撞能量为14TeV，但实际上，大多数对撞都发生在几百个GeV的能量上，因为质子能够正面对撞的机会本身就很少，而且把质子分解成夸克又浪费掉了不少的能量。不过，在LHC上，能量高于1TeV, 甚至达到几个TeV的对撞还是有的。只要不停的收集数据，发现几TeV的新粒子并不难。

正负电子对撞机则相反，虽然很适合测量，但是能量却不可能做得太大。这是因为存在同步辐射。同步辐射是粒子在环形轨道上运行时由于相对论效应带来的能量辐射。在数学上，同步辐射与轨道半径的平方成反比，与粒子的质量的四次方成反比。对于电子这种很轻的粒子，能量达到几百个GeV的时候，大部分增加的能量都消耗在同步辐射上了。所以，轻子对撞机的能量不可能很高。比如之前的LEP用的是与LHC同样的周长26公里的轨道，但是对撞能量只有209GeV, 还不到LHC的1/50.

如果想制造更高能量的轻子对撞机，一个简单的方法就是加大轨道半径，因为轨道半径越大同步辐射就越小。比如中国希望制造的这个CEPC, 就试图做到100公里周长，从而实现350GeV的电子对撞能量。当然，对于强子对撞机来说加大轨道半径同样有好处的，不过是另一个原因：可以容纳更多的超导磁铁从而使强子获得更高的能量。

另一个制造更高能量的轻子对撞机的发展方向则是放弃同步加速的方法，改用直线对撞的方式，因为直线运行的粒子没有同步辐射。计划中的电子直线对撞机叫做ILC，ILC是国际直线对撞机的缩写。建成后预计最大对撞能量500GeV. 已经计划建在日本，不过还需要日本政府的通过。直线对撞是轻子对撞机未来发展的重要方向。

第三个建造更高能量轻子对撞机的方法，则是放弃电子，而改用质量更大的mu子对撞。刚才说了，粒子质量越大同步辐射越少，作为电子的同类伙伴，mu子自然成为不二人选。这个也是最近美国费米实验室计划中的项目。不过由于mu子的半衰期极短，很快就会转化成其他粒子，所以这个方案基本还停留在实验室阶段。

那么，粒子加速器的极限在哪里呢？事实上，人们已经有了使粒子得到更高能量的初步思路，那就是放弃利用电场进行加速，而采取一种叫做等离子加速的方法。这种设想中的加速器被称作PWFA(plasma wakefield accelerator). PWFA预计可以轻松把电子加速到几十个TeV, 这个如果能够实现将在粒子物理领域产生颠覆性的进展。在美国的劳伦斯伯克利国家实验室里，已经建造了一台PWFA的原型机，仅仅用了85cm的轨道长度就使电子产生了42GeV的能量，前途简直不可限量啊。当然，这个只是初步实验，如果把实验设备增大还有很多技术难关需要克服。