环形正负电子对撞机：物理、技术以及现状( 五 ) 作者：靳松娄

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图3可能的正负电子Higgs粒子工厂：ILC(a) ， FCC(b) ， CEPC(c)以及CLIC(d) 。其中FCC和CLIC示意图中，白色小圈代表LHC

为了理解直线对撞机和环形对撞机的优缺点，我们需简单了解同步辐射这一物理现象。牛顿定律告诉我们，物体总是倾向于保持匀速直线运动状态；微观带电粒子运动状态的改变将导致同步辐射光子的发射。同步辐射功率同带电粒子的能量/静质量之比(γ)的四次方成正比，并反比于其轨道偏转的曲率半径的平方。由于电子是标准模型中最轻的带电粒子，这意味着环形轨道上的正负电子可产生功率巨大的同步辐射(在正负电子Higgs工厂中的γ因子可达近百万) 。这一方面限制了环形正负电子对撞机的质心能量，另一方面，也使得各种基于正负电子加速器的同步辐射光源成为可能。为了控制同步辐射功率，我们可以建造大型环形对撞机(通过巨大的曲率半径来限制同步辐射功率) ，或者可以建造轨道曲率半径无穷大的直线对撞机，对应着上文提到的两大类正负电子Higgs工厂。

对撞机上物理事例的产率是其反应截面和对撞机亮度的乘积。换言之，亮度体现了Higgs工厂的生产率和总产量。对环形正负电子对撞机而言，在限制了同步辐射总功率的情况下，其亮度随质心能量的3次方压低；而直线对撞机原则上不受同步辐射总功率的限制，其亮度随质心能量缓慢增加。因此，就亮度而言，环形正负电子对撞机在较低的质心能量上占优；而直线对撞机则在高能区占优，如图4所示。同时，直线对撞机上仅有一个对撞点，而环形对撞机上则可同时拥有多个对撞点，意味着环形对撞机上可同时运行多个探测器、进行实验取数。由于Higgs粒子的质量是125GeV ，质心能量为240—250GeV的正负电子对撞即可有效产生Higgs粒子。在这个能区，环形正负电子对撞机相对于直线对撞机有亮度上的优势。