高能所报告

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Physics high-energy physics lecture

2025-07-13

提示

这是思政实践中，参观「中国科学院高能物理研究所」时，听到的四个报告的一些记录.

高能所情况介绍

73 年成立.

现在有四个园区：玉泉路、东莞、怀柔和济南.

覆盖多个领域：粒子对撞机、天体物理等.

正在进行：

江门中微子实验 (JUNO)：测量两个反应堆群产生的中微子，做更加精细的中微子振荡实验.
高海拔宇宙线观测站 (LHAASO)：在 1/4 阵列运行时 (还未完全建成) 就获得了很多重要发现，21 年建成后开启了「超高能 Gamma 天文」时代.
阿里原初引力波探测实验：海拔 5250 米，北半球最好的 CMB 观测点，与南极点、智利阿塔卡玛一起成为国际三大基地.
硬 X 射线调制望远镜卫星 (HXMT)：目前 8 年超期服役，是我国 Gamma 天文的开端.
怀柔一号极目系列卫星 (GECAM)：20 年发射两颗，之后 22 年发射 C，24 年发射 D.
天地一体化观测到了史上最强射线暴 (全球唯一未达到饱和状态的卫星).

散裂中子源 (CSNS)：用作焊接工艺探伤、材料微观结构研究等，与高校研究所和企业有很多合作.

高能同步辐射光源 (HEPS)：与中子源不同，使用光子作为探针来探测材料性质.

对于大科学研究来说，需要「运行一代、建设一代、规划一代」，目前在粒子物理、粒子天体物理和公共平台方面都有相应规划，到 2050 年.

正在规划环形正负电子对撞机 (CEPC)，为研究 Higgs 粒子和突破标准模型做出贡献.

尾波加速器发展展望

—— 从「桌面光源」到「未来对撞机」

在新的「十五五」规划中的一个重要部分，是一种新的加速器技术.

什么是「尾波加速」

最简单的加速器就是阴极射线管，两个电极和一个玻璃管就能构成一个「加速器」.

到目前，粒子物理最大的加速器是欧洲核子中心的 CERN，周长 $27\text{ km}$ ，当然目前在规划的 CEPC 是 $100\text{ km}$ 量级 (还没有通过国家审批). 这种大科学装置一般都是千米级别，规模庞大、建造 / 维护 / 运行的费用很高.

千米级别的粒子加速器能提供的能量是 $\text{TeV}$ 量级，造价已经达到百亿美元. 我们亟需规模更小的加速装置，改变目前的环形加速器设计.

尾波加速器就是一种新的加速器设计，具有高加速梯度 ( $10\sim100\text{ GV/m}$ )、小加速结构 ( $10\sim100$ 微米，飞秒时间结构)、高束流品质 (高峰值流强、低发射度).

想象一个接近光速的「子弹」能量源 (粒子团)，在一个稀薄的气体中移动，它所携带的电磁场非常强，能够电离周围的气体，产生一个离子背景，这个离子背景中会留下能量源的尾波. 这个尾波中的电场非常强，达到了 $\text{GV/m}$ 的级别，比普通加速器中的电场强数个量级，所以可以大幅压缩所需要的加速长度.

规划

18 年 Nobel Prize 给了光镊和超短超强激光，23 年是阿秒激光，这些技术使得我们实现一个「接近光速的能量源」成为可能，在未来的 20 年内规划一个 $10\text{ TeV}$ 级别、 $10\text{ km}$ 尺度的尾波加速器.

尾波加速的技术同时可以向更小和更大的方向发展. 上面说到的是更大尺度的技术，如果我们把尾波加速器做到桌面大小，目前有 LWFA 桌面同步辐射光源 (21 年中关村论坛发布)，大概只有一两米，但是能够提供 $50\text{ m}$ 量级的直线加速器的能量.

更加实用化的领域，23 年中关村论坛发布了世界首台可移动的激光尾波加速器.

「桌面级」的尾波加速器有很多应用场景：Betatron 射线、逆 Compton 散射、放射性疗法等. 这种「桌面光源」可以作为一个科学仪器，进入实验室完成很多任务，它对比上海光源、北京怀柔光源这种 $300\sim400\text{ m}$ 的光源，就像个人电脑和超级计算机的差别. 现在的方向就是把这一类小型加速器做得更加实用化.

24 年中关村论坛发布了世界首台工业级紧凑型 $\text{PW 1 Hz}$ 激光器，仅仅只有 $8\text{ m}$ 尺度，其能量比之前建立的 $2\text{ km}$ 、造价七十亿的自由电子激光器还要高.