[论文解读] Snowmass2021 White Paper AF3-CEPC

CEPC Accelerator Study Group|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用 13

一句话总结

本Snowmass2021白皮书介绍了环形电子-positron对撞机（CEPC）的技术设计与研发进展，该对撞机是中国拟议的100公里环形对撞机，旨在以240 GeV的质心系能量作为希格斯玻色子工厂运行，并具备升级为超大质子-质子对撞机（SppC）的潜力。本文详细阐述了优化的加速器设计、亮度性能、功耗估算、成本预估以及分阶段建设时间表，推动CEPC向未来高能物理研究的方案设计与技术准备阶段迈进。

ABSTRACT

The discovery of the Higgs boson at Large Hadron Collider (LHC) of CERN in July 2012 raised new opportunities for large-scale accelerators. The Higgs boson is the heart of the Standard Model (SM) and is at the center of many biggest mysteries.In September 2012, Chinese scientists proposed a 240 GeV Circular Electron Positron Collider (CEPC) as a Higgs Factory, having two large detectors for Higgs studies and other topical researches. The 100 km tunnel of CEPC could also host a Super proton proton Collider (SppC) to reach energies well beyond the LHC. CEPC Conceptual Design Report (CDR) has been released in Nov. 2018, and in this CEPC Accelerator White Paper to Snowmass21 AF3, CEPC Technical Design Report (TDR) status with optimized design and key technology R and D progresses have been reported. The energy range, luminosity, upgrade and staging potentials, power consumption, cost, readiness assessment, timelines, construction and operation plans, etc. are covered.

研究动机与目标

• 呈现CEPC加速器当前的技术设计报告（TDR）状态，基于2018年的概念设计报告（CDR）。
• 报告对CEPC可行性与性能至关重要的关键技术研发进展。
• 评估CEPC-SppC项目的准备程度、成本、功耗及建设与运行时间表。
• 评估CEPC基础设施未来升级与分阶段建设的潜力，以支持未来的高能物理实验。
• 为CEPC作为下一代希格斯工厂及全球粒子物理格局中未来对撞机设施的科学依据提供支持。

提出的方法

• CEPC加速器设计基于100公里周长隧道，专为240 GeV质心系能量下的电子-positron对撞优化。
• 设计包括两台大型探测器，用于高精度测量希格斯玻色子并研究标准模型之外的新物理。
• 同一隧道设计用于未来安装超大质子-质子对撞机（SppC），其质心系能量将超过大型强子对撞机（LHC）。
• 关键技术如超导射频腔、高梯度加速结构以及先进束流动力学模拟正在积极研发中。
• 本文评估了束流动力学、晶格设计及低温系统，以确保高亮度与长期稳定性。
• 提出分阶段建设方案，首先建设CEPC阶段，随后升级为SppC，包含详细的成本与时间表预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 CEPC加速器设计的当前技术成熟度水平如何？与2018年CDR相比有何进展？
• RQ2 CEPC关键技术挑战及研发进展（特别是超导射频与束流动力学）为何？
• RQ3 CEPC阶段的预期亮度、功耗与成本如何？与国际基准相比表现如何？
• RQ4 从CEPC升级为SppC的可行性如何？存在哪些技术与后勤制约？
• RQ5 CEPC-SppC项目的建设、调试与运行时间表是怎样的？

主要发现

• CEPC加速器设计已在技术设计报告（TDR）阶段完成优化，现已确立详细的工程与物理性能参数。
• 在超导射频腔、高梯度加速结构及束流动力学模拟方面已取得关键技术进展，显著提升了技术可行性。
• CEPC阶段预计在240 GeV质心系能量下实现高亮度，可支持对希格斯玻色子的精密测量。
• 100公里隧道基础设施设计可支持未来SppC升级，其质心系能量将显著超过LHC。
• 功耗与成本估算已进一步细化，并为CEPC与SppC两个阶段提出了详细的建设与运行时间表。
• 项目被评估为已具备进入下一阶段设计与国际合作的技术准备水平，且获得中国科学界的强力支持。