ILC

(International Linear Collider）簡稱ILC，是由國際未來加速器委員會(ICFA)發起的一項大規模的國際合作計畫項目。ILC是繼國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)計畫啟動之後人類又一項大規模的國際合作計畫項目。擬議中的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。

基本介紹

• 外文名：ILC
• 全稱：International Linear Collider
• 組成：兩台大型超導直線加速器
• 類型：國際合作計畫項目

簡介

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，讓物理學家有能力深入研究 LHC 的任何一項新發現。LHC 是為研究

對撞而設計的。質子實際上由夸克和膠子組成。夸克是目前已知的、組成物質的最小微粒。

來自全世界300多個實驗室和大學的1600多名科學家和工程師，正致力於ILC的設計及探測器的研發，這些探測器將用來分析ILC中正負電子對撞的產物。2007年2月，我們設計小組公布了ILC的估計造價，約合67億美元(不包含探測器的成本)。我們已經比較了在三處不同地點建造ILC的造價，這些候選地點分別是：瑞士日內瓦附近的歐洲原子能研究中心(CERN)、美國的費米國家加速器實驗室和日本某山區。我們還在為這個完全國際化的實驗室設計切實可行的管理模式。雖然ILC的造價看上去有點嚇人，但並不比LHC和ITER核聚變反應堆之類的大型科學工程昂貴多少。如果一切進展順利的話，ILC會在21世紀20年代“照亮”粒子物理學的最前沿。

直線對撞機的計畫

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。

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。

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。

直線對撞機的缺點在於，正負電子從靜止狀態加速到對撞能量必須一次成功，不能像環形加速器那樣一圈一圈逐漸累加。要達到更高的對撞能量，就要建造更長的直線加速器。直線對撞機的造價與對撞能量成正比，因此讓它達到萬億能標所需的費用比環形對撞機便宜得多，這一優勢是顯而易見的。

直線對撞機當前發展

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。　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

直線加速器超導腔

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。

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．

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。

技術挑戰

能量

同際直線對撞機所要探測的能量範圍遠遠超過任何正負心子對撞機曾經達到過的能量。為了得到500 GeV對撞所需的250 GeV的束流能量，需要的加速電壓相當於把1670億個標準5號電池頭尾相接所形成的電壓。

加速梯度

“加速”意味著粒子速度和能量的同時增大。一般使用“加速梯度”來表示加速器中粒子在中位距離內的能量增長，其常用中位是伏特每米。要在儘可能短的距離內把粒子加速到儘可能高的能量。加速梯度越高，國際直線對撞機就可以做的越短，從而越便宜。對於一定長度的機器，加速梯度決定了電子和正電子最終對撞時的能量。物理原理決定了超導腔的加速梯度有一個上限。我們正在努力使超導腔的加速梯度接近這一上限。15年前，最高的加速梯度大約是5兆伏每米。經過大量的研究，現在加速梯度有了大幅度的提高。國際直線對撞機的加速梯度目標是31．5兆伏每米。

超導技術

帶電粒子只能由電場加速。我們向超導鈮腔中輸入能量脈衝來建立加速電場。超導腔浸泡在-27l攝氏度的液氦里，再放置到由熱禁止層和外殼構成的低溫叵溫器中。外界環境一般比超導腔的溫度高300攝氏度，低溫恆溫器的作片用是使超導腔與外界環境之間隔熱。每台直線加速器包含8000個大約1米長的超導腔，它們在低溫模組中頭尾相接，用來加速電子和正電子。

亮度

為了取得新的物理髮現，我們需要大量高質量的數據。電子和正電子對撞的頻率越高，產生的感興趣的數據就越多。這就需要高的亮度，即單位截面的對撞速率。國際直線對撞機要求的亮度超過每平方厘米每秒10^34次對撞，這是設計這台機器的主要挑戰。我們可以採取措施，把儘可能多的正負電子壓縮到一個儘可能小的束團中去，並使束團頭對頭對撞，從而達到高亮度。這意味著，要讓超過100億個電子或正電子擠到一個大約5納米高、500納米寬的束團中去。然後再使用先進的反饋技術控制束團進行對撞。

粒子探測器

粒子探測器是國際直線對撞機的畫龍點睛之筆。探測器包圍在正負電子對撞點的周圍，給出破解量子宇宙的信息。探測器的長、寬、高均為12米，有3層樓房那么高，重達幾千噸，包括所有的組件和電纜，以及一塊具有很強磁場的磁鐵。

採用當今世界最先進的技術，探測器將記錄每一次對撞過程以及對撞產生的新粒子。數以百萬計的電子學通道將記錄下寶貴的數據，並確保無一遺漏。這些先進技術在10年前還是難以想像的。

基於這些數據，我們可以重建每次對撞過程，以足夠的精度考察每個事例，從而理解對撞中的物理機制。這些分析結果可以用來尋找暗物質粒子、希格斯粒子、超粒子，或者發現未預料到的東西，並進行進一步的詳細研究。國際直線對撞機的探測器將可以使我們以前所未有的精度來研究粒子的對撞過程。

工作機理

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。

ILC工作示意圖

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。所有電子的自旋方向都保持一致，這種性質被稱為“自旋極化”(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。 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旋轉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。

直線加速器束流收集器

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。

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。

未來發展

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。

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。目前，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。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。