比LHC更先进: Project X 粒子加速器概述

　　美国费米国家加速器实验室过去在单粒子能量和粒子流强度这两个加速对撞机最主要参数上世界领先,但LHC和J-PARC的分别在这两个参数上都超越了费米实验室.依靠美国粒子物理十年计划,费米实验室启动Project X项目,此项目运用了最先进的加速器技术,将制造粒子流强度第一的加速器,并且依靠Project X的技术,费米实验室将在未来国际直线加速器项目上占主要地位,国际直线加速器在单粒子能量上超越了LHC.

　　费米实验室(Fermilab)的未来规划:

　　许多年来,费米实验室拥有世界上最高能量的粒子对撞机和最高强度的中微子束.(注:前者指单粒子拥有的能量,后者指粒子的流量.)然而如今CERN的LHC(大型强子对撞机)在能量上已经超越了费米实验室,日本的J-PARC正着手建设的长基线中微子项目也将优于费米实验室.在这样的国际环境下,美国基本粒子物理学会(US elementary particle physics community)启动了一项针对未来10年的规划:目标能量领先(energy frontier),强度领先(intensity frontier),宇宙暗物质暗能量探测领先(cosmic frontier).费米实验室是这项计划中加速器的唯一选址,费米实验室的未来规划将完全配合美国的这项10年计划.费米实验室的重点是建造高强度的质子源,这也是这项长期计划的关键.

　　费米实验室加速器的改进:

　　Project X是费米实验室兆瓦级质子加速器(multi-MW proton accelerator)的项目名称.它基于采用超导射频技术的氢离子线性加速器,Project X是费米实验室整个加速器项目能量和强度保持领先地位的关键.Project X为中微子物理和非标准模型物理的研究提供了最好的条件,也为非传统粒子物理领域打开了一扇窗,比如冷中子物理,加速器驱动次临界清洁核能系统(accelerator-driven subcritical systems, ADS).Project X采用与国际直线对撞机相近的技术,这可以使费米实验室成为这台未来加速器的主要承担者或是主要的技术贡献者.兆瓦级加速器的制造也为未来的μ子加速器提供了技术预备.

　　Project X 的预期目标与基本架构:

　　1)基于质子源的长基线中微子束,此质子源可以提供60~120Gev能量区间强度不小于2兆瓦的粒子束.

　　2)由高强度质子支持的精确μ子和K介子实验.

　　3)为未来的中微子工厂和μ子对撞机所需的μ子源打下基础.

　　为达到上述的目标,物理学家们设计了两套方案,一是建造8Gev的脉冲型直线加速器(pulsed linac),第二种方案是先建造约3Gev的连续波直线加速器(continuous wave linac),接着再建造8Gev的快循环同步加速器(rapid cycling synchrotron)或者超导脉冲直线加速器(superconducting pulsed linac).这两套方案中对粒子的加速和积累都用到了费米实验室已有的循环器和注入环.

　　这两套方案都能为远在1000公里外的探测器提供极高能量的中微子束,但第二套方案更精确,使用的技术是全世界最领先的.

　　Project X 初步预备投入:

　　在满足下面几个条件下,两个方案整个项目的初步预备投入(pre-CD-0)约为15亿美元:

　　1)前期规划和设计在2010年12月完成,建设期为2013年到2017年

　　
2)美国能源部(DOE)的帮助可加快建设.

　　3)40%的风险预备金.

　　其他应用:

　　Project X发展的技术同样对下列项目有帮助:

　　1)加速器驱动能源系统

　　2)原子物理需要的稀有同位素的制备

　　3)中子源

　　4)X射线自由电子激光器

　　5)能量回收直线加速器

　　6)材料研究需要的μ子设备

　　美国参与机构: Argonne National Laboratory - 阿贡国家实验室

　　Brookhaven National Laboratory - 布克海文国家实验室

　　Cornell University - 康乃尔大学

　　Fermilab(Fermi National Accelerator Laboratory) - 费米国家加速器实验室

　　Lawrence Berkeley National Laboratory - 劳伦斯伯克力国家实验室

　　MichiganState University - 密歇根州立大学

　　Oak Ridge National Laboratory - 橡树岭国家实验室

　　Thomas Jefferson National Accelerator Facility - 托马斯杰斐逊国家加速器实验室

　　SLAC National Accelerator Laboratory - 斯坦福线性加速中心国家加速器实验室

　　Americas Regional Team of the ILC - 参与国际线性加速器设计的国内小组

　　印度的参与:

　　印度对Project X制造中涉及的技术很感兴趣,渴望获得加速器驱动系统方面的知识和技术.多家印度科研机构已经直接参与到了费米实验室超导射频设备的研发中.初期的讨论确定印度将以制造实物的方式参与Project X的研究,开发和建造中.印度将提供线性加速器50%的组件,并参与线性加速器所有的设计工作和运行任务.印度寄希望于参与Project X项目后能拥有在印度本土制造兆瓦级质子源的能力.