2018 年，你的研究领域涌现出哪些具有发展前景的方向和技术？ 第1页

我来抛砖引玉介绍一种 高能物理实验 的未来神级技术——光子对撞机。

高能物理实验往往需要使用 粒子对撞机 加速带电的粒子，带电粒子不断被加速到接近光速，它们以极高的能量头对头撞的粉身碎骨，质量转化为能量，能量又转化为质量，创造出新的粒子。

对撞机能让粒子获得极高的能量，是利用了电场对带电粒子的加速作用，这意味着粒子只有在带电的情况下，才能被对撞机加速获得更高能量。所以现在的高能物理实验中使用的粒子对撞机要么加速电子（例如北京正负电子对撞机），要么加速质子（例如欧洲的大型强子对撞机），也有加速带电的重离子（例如兰州近代物理所的重离子加速器）。

一种粒子要能被对撞机加速提高能量，粒子必须稳定而且带电。迄今为止，国际高能物理学界建造了超过20台正负电子对撞机，5台强子对撞机，1台电子质子对撞机，还设想了正负mu子对撞机，这些对撞机都基于带电粒子。

然而，我们从未建造过光子对撞机。

现在的对撞机对“光子”束手无策，北京正负电子对撞机没法直接提高光子的能量，欧洲大型强子对撞机也没辙，因为光子是中性的，勉强不来。

范遥眉头一皱，说道：“郡主，世上不如意事十居八九，既已如此，也是勉强不来了。”
赵敏道：“我偏要勉强。”

物理学家像赵敏一样不服气，偏要勉强。光子不带电，怎样才能提高光子的能量？答案是：逆康普顿散射。

在“康普顿效应”中，高能光子和低能电子发生碰撞，光子的能量传递给电子导致光子能量降低变成低能光子。“逆康普顿效应”则反之，低能光子从高能电子处获得能量变成高能光子。

在光子对撞机中，光子通过逆康普顿效应获得更高的能量，随后可以让光子相互碰撞产生其它新粒子。光子对撞机提高光子能量的原理并不复杂，那为什么我们迄今没有造出光子对撞机？

主要有两方面的原因：

（1）光子对撞机的概念是作为高能电子对撞机的补充而提出的，比如日本未来计划建造的国际直线对撞机ILC，欧洲未来的CLIC，原计划的ILC和CLIC的电子能量高达TeV量级，依托它们的光子对撞机能量甚至更高，属于高能物理的“能量前沿”。在这种情况下，ILC和CLIC本身都还没有建造出来，更不要说依托ILC和CLIC的光子对撞机了，乐观估计还要等个二十年吧。

（2）光子对撞机的概念多年前就被提出来了，一直以来，光子对撞机需要的超强激光技术仍不成熟。

不过近几年，“事情正在起变化”。

为什么我们要一根筋的直接冲着高能量去呢？我们不一定从一开始就造个TeV高能量的光子对撞机，何不选择先建造一个低能量的作为起步？希格斯玻色子在2012年被发现的时候质量是125GeV，远低于当初人们的预期，日本人还因此改变了国际直线对撞机的方案，把计划的能量调低了跟中国的环形正负电子对撞机竞争。

针对（1），如果建造一个超高能的光子对撞机，会有很多不确定性，我们没法预期超对称粒子或者其它新物理现象的能区是多大。研究希格斯粒子需要几百GeV，研究粲夸克只需要几个GeV，研究mu子的相关物理仅仅需要几百MeV，研究光子和光子之间的散射甚至要几个MeV的能量就足够了啊。如果是这样，造一个能量较低的光子对撞机已经够用，低能量的光子对撞机不需要超高能电子加速器，现有的电子加速器已经够用！

针对（2），与光子对撞机概念刚刚提出的时候不同，如今的强激光技术已经获得长足发展，现在的激光技术已经可以满足建造较低能量光子对撞机的需求。

光子对撞机的基本构型示意图如下：

如上图所示，两束高能电子束相对运动（图中带箭头的红线），分别朝着两电子束发射激光，激光与电子束迎面碰撞发生逆康普顿散射被反弹获得更高的能量，两束被反弹的高能激光（图中带箭头的蓝线）相互对撞，就可以产生新的粒子。下面的图更详细地描述了激光被加速和对撞的过程。

需要注意的是，“低能量”光子对撞机的“低能量”是相对于超高能量的TeV光子来说的，这种“低能量”的光子仍然比日常生活中的可见光能量要高得多，传统的激光器仍然没法产生实验所需的能量足够高的“低能量”光子。

与传统激光器不同，未来的光子对撞机所用的激光很可能来自“自由电子激光”（FEL），这是一种来源于二十世纪80年代美国“星球大战”计划军用激光武器的技术。传统激光器在产生激光时需要激光介质，利用介质的受激辐射产生激光。自由电子激光不需要传统的激光介质，它使用粒子加速器加速电子到接近光速，让高能电子在周期性振荡的磁场中运动，电子即发射出高能光子。

上世纪的美国为了发展激光武器拨款给科学家研究自由电子激光，科学家发展这项技术用于科学研究，这是另一个故事了。

长远来看，想要建造一台用于产生希格斯粒子的高能光子对撞机，是一件有点遥远的事情。因为日本的国际直线对撞机和欧洲的CLIC想要建成，起码要等二十年。

建造世界第一台光子对撞机却不一定奔着高能量去，一个低能光子对撞机是可期的。近几年，意大利和日本都提出了他们的低能光子对撞机计划，自由电子激光技术的发展大大提高了光子对撞机的建造可行性，世界上的第一台光子对撞机很有可能在未来几年出现。

低能光子对撞机可以用于研究光子和光子之间的散射，还有光子对撞产生正负电子对的过程。这是量子电动力学已经预言，实验却尚未发现的现象。中能光子对撞机可以用来研究c夸克物理或b夸克物理，高能光子对撞机可以用来研究W/Z玻色子和希格斯粒子。对于希格斯工厂来说，光子对撞机可以通过 直接产生希格斯粒子，和正负电子对撞机通过 产生希格斯粒子相比，光子对撞机需要的能量更低而且更干净。

2018年8月的北京香山科学会议上，中国科学家也提出了自己的光子对撞机方案，利用中国现有的电子加速器进行改造即可。现有的北京正负电子对撞机，合肥光源，上海光源都有改造的潜力，改造的花费预计在1亿人民币左右，这个预算包括了加速器、激光和探测器，改造需要的时间大约3~5年。

相比于环形正负电子对撞机CEPC的近400亿人民币预算和15年左右的建造周期，光子对撞机的费用和时间要少得多，这不失为北京正负电子对撞机退役之后的一个备选方案。

【完】

参考资料：

[1] Weiren Chou, Introduction to Muon Collider & Gamma Collider

[2] Kwang-Je Kim & Andrew Sessler, Gamma Gamma Collider

[3] ICFA Beam Dynamics Newsletter No. 60

[4] 香山科学会议第631次学术讨论会报告