日本试水主导国际直线对撞机

编译 姚人杰

要么现在争取，要么就夭折：高能物理学界正加快计划未来的研究设施。

复兴的国际直线对撞机（ILC）将会成为下一个大型粒子物理学设施的角逐者。在将近20年的研究工作中，这个正负电子对撞机逐渐成形，而这多亏了科学、政治和财政发展的合力。支持者已经构思出ILC的阶段性建造方案。目前的想法是：它一开始会是一台250 GeV（而不是500 GeV）“希格斯粒子工厂”。因为较低的能量可以用较短的加速器来实现，估计这样造价就降低了40%之多，大约为50亿美元（不包括人工）。

2017年夏天，造价下调后的ILC获得了日本高能物理学家联合会的批准。紧接着在11月，获得了国际未来加速器委员会（ICFA）的同意，该委员会包括了全球主要粒子物理学实验室的主管。现在日本是唯一有可能主导ILC建设的国家，只要它发出希望推进ILC建设的清晰信号，就会让项目重新运转起来。但这个信号必须在2018年发出，否则欧洲的粒子物理学家会计划没有ILC的未来。

希格斯粒子工厂

2012年，在大型强子对撞机（LHC）上发现了希格斯玻色子。到2016年时，LHC没能发现标准模型以外的新粒子。“我们要么需要更多数据，要么新的物理知识隐藏在希格斯玻色子背后。”位于洛桑的瑞士联邦理工学院粒子物理学家、ICFA直线对撞机委员会主席田中达（Tatsuya Nakada）说道，“这一认识重新强调了对希格斯玻色子属性的精密物理的重要性，证明了建造较低能量的直线对撞机作为第一步从科学上来讲是合理的。”

国际直线对撞机的隧道在图中以地沟形式表现。将会在日本东北地方的一片花岗岩地层中挖掘出这条隧道

考虑到希格斯玻色子质量为125 GeV，一台能产生250 GeV能量对撞的电子对撞机会产生足够多的希格斯玻色子。而且对撞的粒子是基本粒子，可以对希格斯玻色子进行详尽的研究，而这在LHC更混乱的质子对撞中是不可能办到的。首要的研究任务会是测量希格斯玻色子与向量玻色子、夸克、轻子的耦合。测量值与理论预测值间的差异能揭示出标准模型之外的物理知识。

费米实验室主任奈杰尔·洛克耶（Nigel Lockyer）说，希格斯玻色子是种独特的粒子，“它是我们迄今观测到的唯一一种自旋为零的基本粒子。对希格斯玻色子的性质进行精密测量，就能出现它与一种新粒子混合的情形，这些偏差可能与暗物质、宇宙暴胀或额外维度有关。如果你不去研究希格斯粒子，你会发疯的。”

建造250 GeV能量的ILC的支持者们不想在此止步。为了产生172GeV的顶夸克，需要350GeV能量的对撞机。为了研究希格斯玻色子与自身的耦合，需要有500 GeV能量的对撞机。那种自耦合“对于弄清真空的结构以及其他东西是非常有意思的”，约阿希姆·默尼奇（Joachim Mnich）说道，他是位于汉堡的德国电子加速器的粒子物理学及天体粒子物理学主管。

现成可用的技术

LHC的后继设备还有其他选择。在欧洲核子研究中心（CERN）正在研发的紧凑型直线对撞机（CLIC），相撞的电子束和正电子束各自由一道平行的驱动束（drive beam）供能。通常认为它适合于TeV能量等级。和直线对撞机路线竞争的，是用长达100公里的环（差不多是LHC圆周长度的四倍）来获得更高的能量。两个类似的项目正在研究中：CERN的未来环形对撞机（FCC）和中国的环形正负电子对撞机（CEPC）。在两个项目中，都是以电子对撞的希格斯粒子工厂作为起点。FCC会建造到350GeV能量等级；CEPC会建设到240GeV能量等级。最终，两台对撞机都会改造成原始隧道的质子对撞机。

另一项提议中的未来实验是对LHC增加设备，让质子与电子能够对撞，称为LHeC，通常并不被视为ILC的竞争者，但是能以低得多的价格进行补充性的物理实验。

但ILC使用的技术是最先进的。与ILC提议使用的谐振腔类似的超导射频谐振腔早已在美国和德国的实验室中实际使用。“ILC的概念依赖于已经证明的技术，”默尼奇说，“它已经在大型设施中经受检验，行业也知道如何制造它。”

500 GeV能量的ILC的技术设计报告已经在2013年完成。将能量削减至250 GeV后，节省的花费主要来自于使用更少超导射频谐振腔。加速器组合的长度会从30公里缩短到20公里。减少隧道的横截面面积也能节省费用。

一旦隧道就位，提升对撞机的方法是：要么延长隧道、要么开发出更好的技术，加州大学伯克利分校的村山齐（Hitoshi Murayama）说道，他同时也在东京大学科维理宇宙物理学与数学研究所任职，“现在谈论升级的方式还不成熟。”

一些更好的技术早已经在研究中。在费米实验室，科研人员发现，当铌超导射频谐振腔的最外层表面注入氮时，加速梯度会增加。“我们还不知道原因，”费米实验室技术部门的副主管安娜·格拉塞利诺（Anna Grassellino）说，“但是当掺杂物渗入若干纳米时，我们得到了最高的加速度。”她说，通过增加加速梯度，“对于相同的资金来说，你能升级到更高的能量等级，这也就意味着能做更多种的物理实验，或者你可以让加速器变得更短，这也能节约资金。”这一方法早已经在SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源，以较深掺杂的形式得到实施。在ILC的新设计方案中，射频领域的新发展在总计40%的开支削减中贡献了大约6%。

反对ILC的主张之中，有一种观点是认为250 GeV的能量太低。要获取顶夸克、扩展科研范围的话，下一台对撞机应该至少有350 GeV的能量。但更低的能量是个良好的开始，SLAC的物理学家迈克尔·佩斯金（Michael Peskin）说，“高能物理仪器耗费数十亿美元的资金，所以你必须要有耐心。”

一些粒子物理学家更偏爱环形对撞机，它能更容易达到高光度。他们说，直线对撞机缺乏清晰的理由来支持更高的能量，所以它不再有意义。根据一位要求匿名的粒子物理学家所述，一些科学家也担心ILC受到政治层面的推动，以至于“没有回旋余地”，于是科学界感觉自己别无选择，只能支持ILC。

其他科学家想知道，日本是否有建造ILC的人力资源？其他国家的科研人员将来是否愿意花费十年时间在日本开展相关工作？“毫无疑问，缺乏让外国人在日本生活的基础设施。”村山齐说。譬如说，他注意到：在提议的ILC选址附近没有K-12国际学校。“但如果项目继续进行，基础设施会建设起来。”村山说。而且高能物理项目耗资庞大、数量稀少，任何一个全球性科研设施要得以实现的话，都要吸引全球的物理学家和加速器专业的科学家过来。“建造开始的话，科研人员就会过来。”洛克耶说。

费米实验室的安娜·格拉塞利诺（Anna Grassellino，右）和王梅玲（Mayling Wong-Squires）研究氮掺杂和注入如何提升超导射频谐振腔（譬如国际直线对撞机会使用的谐振腔）的性能。她们正在准备将一个谐振腔放进身后的高温炉里烘烤

“不断推动”

日本正在表现出恢复ILC相关活动的众多迹象。数个工作组正在为文部科学省调研规模缩小后的ILC。多个领域的学者正在衡量ILC与其他可能的科研投资的花费、设计与科研价值。“分阶段的方式应该会减少日本政府对对撞机造价的震惊。”村山齐说，他担任了日本高能加速器研究机构（KEK）的ILC议题咨询委员会成员。他注意到，日本国会大约有1/4议员支持推进ILC项目。

2013年，日本东北地方的北上山地中的一个地点被选为ILC的建造地，但是在日本政府正式支持项目之前，这仍然不是正式选址。因为这个地点处于单片花岗岩地层内，就算遇上地震，它也应该是安全的。当地县市政府支持项目，希望它会提供经济推动力，帮助振兴地方，这片区域在2011年因为地震、海啸和核电站事故而遭受破坏。

2018年早些时候，一支日本代表团与法国和德国的高级官员会面，讨论ILC项目，日本官员也已经和美国能源部、美国国会议员讨论过项目。日本还打算与法国、德国、美国及其他国家进行进一步磋商。“我们必须以一个非正式框架开始工作。”东京大学的粒子物理学家山下了（Satoru Yamashita）说道，他参与了近期在欧洲的会谈。这个人数多达20人的代表团成员包括来自日本科学界、产业界和政府的代表。

山下了说，提高ILC的希望的关键是ICFA明确声明日本不仅应该主持项目，还应该领导整个项目。他解释说，此前构想的ILC的组织模式更像正在法国建造的国际热核聚变实验反应堆（ITER）。在ITER项目中，合作的各方从一开始就一起讨论各种细节。相比之下，由一个国家领导的组织更简单，也许能更加容易避免拖延和预算超支等难题，而正是这两种难题让ITER成为负面教材。“关键的是要在所有层面不断推动。”山下了说。

2016年日本研讨会的参与者讨论国际直线对撞机

机会窗口

时间压力来自于“欧洲粒子物理学战略”，这是学界为了优先考虑未来项目的一次努力。整个程序目前进行到信息收集阶段，该战略预计在2020年初完成。

特拉维夫大学的哈利娜·阿布拉莫维奇（Halina Abramowicz）领导着欧洲战略形成的程序。她说，如果日本到2018年底还不清晰表明有意主持ILC，“在未来的讨论中ILC就会变成不相干的内容，那有着巨大的潜在含义。”比方说，给ILC开绿灯，就可能将高光度LHC（获得批准的升级）的研究重心转移到质子与质子相互作用的高能端，这与用LHC研究希格斯玻色子是“迥异的处境”。

美国的建议会比欧洲稍晚。美国的“粒子物理学项目优化专家组”高度好评500 GeV能量的ILC。如果规模缩小的对撞机变成认真考虑的目标，那么美国科学家群体需要更仔细的审视。美国能源部的高能物理的科学副主管吉姆·西格里斯特（Jim Siegrist）说道：“有许多个决定，首先，250 GeV能量的科学实验是否足够好？日本想不想主持项目？还有，我们如何实施该项目？”他表示，日本文部科学省与美国能源部之间的高层次商讨在进行中。

ILC的支持者相信，ILC的时机很有利。在美国，到2026年时，“深度地下中微子实验”应该已经建设和运行，洛克耶说：“所以美国高能物理研究项目的大笔资金开始开放。”CERN也会完成LHC高光度升级，但尚未开始制造能量升级所需的磁铁。“有个全球性的机会窗口。”他说。ILC最有利的情况是在21世纪30年代初完工。

ILC会是由日本主导并在日本建造的首个国际性科研设施，这既是忧虑的源泉，也是自豪的来源。山下了说，日本文部科学省缺乏领导这样规模项目的经验，这是最大的挑战。另一个挑战来自于资金。村山齐说：“假如文部科学省的预算保持平稳的话，我看不到项目有实现的可能。”尽管在项目继续进行、合作国家参与进来之前，开支的分配和实物捐助无法实现，但外界期望日本会支付超过一半的费用。假如项目确实进行下去，中国、印度、俄罗斯和其他国家或许也会加入进来。

田中达说，让ILC合作正式化代表了先有鸡还是先有蛋的问题。“日本政府不想冒风险，除非有正面的结果，而欧洲和美国需要见到日本清楚的主导意图后，才会付诸行动。”

“需要从中立立场挪动一下位置，”CERN的直线对撞机合作方面的主管林恩·埃文斯（Lyn Evans）说道，他负责协调ILC和CLIC的全球研究，“日本的进展缓慢又不透明。局面就像一根二极管。我们给予信息，但没有得出任何东西。”他回忆道，同样的事之前也发生在讨论日本对LHC的贡献时候。