當大型強子對撞機（LHC）將亞原子粒子研究的範圍擴充套件到前所未有的能量尺度時，物理學的新時代將拉開帷幕。但即使在研究人員啟動位於法國-瑞士邊境下方的LHC巨型儲存環中的首次高能碰撞之前，他們已經在構思並致力於下一代偉大的粒子加速器。粒子物理學界的共識選擇是一個名為國際直線對撞機（ILC）的擬議設施，這臺超過30公里長的機器將以非常接近光速的速度將電子和正電子撞擊在一起。（正電子是電子的反物質對應物，質量相同但電荷相反。）
ILC比以往的正負電子對撞機強大得多，它將使物理學家能夠跟進LHC的任何開創性發現。LHC旨在研究質子的碰撞，每個質子實際上是由膠子（傳遞強核力的粒子）結合在一起的三個夸克的束。由於質子內的夸克和膠子不斷相互作用，質子-質子碰撞本質上是一件混亂的事情。研究人員無法確定每次碰撞時每個夸克的能量，這種不確定性使得很難確定撞擊產生的新粒子的性質。但是電子和正電子是基本粒子而不是複合粒子，因此使用正負電子對撞機的物理學家可以非常精確地知道每次碰撞的能量。這種能力將使ILC成為精確測量新發現粒子的質量和其他特性的極其有用的工具。
來自全球近300個實驗室和大學的1600多名科學家和工程師目前正在從事ILC的設計以及分析其粒子碰撞的探測器的開發工作。2007年2月，我們的設計團隊釋出了該機器的成本估算：67億美元（不包括探測器的費用）。我們已經進行了研究，比較了將ILC設在三個可能地點的成本——位於日內瓦附近的歐洲核子研究中心CERN、位於伊利諾伊州巴塔維亞的費米國家加速器實驗室以及日本的山區——並且我們正在制定真正國際化的實驗室治理方案。雖然ILC的價格標籤可能看起來很高昂，但它大致與LHC和ITER核聚變反應堆等大型科學專案的成本相當。如果一切按計劃進行，ILC可能會在2020年代的某個時候開始照亮粒子物理學的前沿。
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對撞機的誕生
2005年8月，來自世界各地的大約600名物理學家聚集在科羅拉多州的斯諾馬斯，開始規劃ILC的開發。但該專案的真正開端可以追溯到1989年CERN的大型正負電子對撞機（LEP）的除錯。LEP在周長為27公里的儲存環中加速電子和正電子，然後將粒子撞擊在一起，產生能量高達1800億電子伏特（GeV）的撞擊。但很明顯，LEP將是同類對撞機中最大的，因為將電子和正電子加速到萬億電子伏特（TeV）尺度（也稱為太電子伏特尺度）的能量將需要一個周長數百公里的環，並且成本將完全高得令人望而卻步。
儲存環解決方案的主要障礙是同步輻射：相對較輕的粒子（如電子和正電子）在環中高速運動時會愉快地輻射出能量，它們的路徑不斷被環的許多偶極磁鐵彎曲。由於這些損失使得加速粒子變得越來越困難，因此建造這種對撞機的成本與碰撞能量的平方成正比：一臺能量加倍LEP的機器將花費四倍的成本。（對於加速較重粒子（如質子）的對撞機，能量損失沒有那麼嚴重；因此，為LEP環挖掘的隧道現在正在被LHC使用。）
更具成本效益的解決方案是直線對撞機，它透過在直線上而不是在環中加速粒子來避免同步輻射。在ILC設計中，兩個11.3公里長的直線加速器或直線加速器——一個用於電子，一個用於正電子——相互瞄準，碰撞點在中間。缺點是，電子和正電子必須在機器的每個脈衝上從靜止加速到碰撞能量，而不是透過儲存環的每個迴路來積累速度。為了獲得更高的碰撞能量，可以簡單地建造更長的直線加速器。設施的成本與碰撞能量成正比，這使得直線對撞機在TeV尺度上比儲存環概念具有明顯的優勢。
在歐洲建造LEP的同時，美國能源部正在斯坦福直線加速器中心（SLAC）建造一臺競爭機器。SLAC的裝置被認為是直線對撞機概念的原理驗證，它使用一個三公里長的直線加速器串聯加速電子和正電子束，將它們提升到約50 GeV的能量。然後，將這些束磁性分離並彎曲，使它們迎頭相撞。雖然SLAC的機器（從1989年執行到1998年）並不完全是真正的直線對撞機，因為它只使用了一個直線加速器，但該設施為ILC鋪平了道路。
TeV尺度直線對撞機的規劃在1980年代後期和1990年代初期認真開始，當時提出了幾種競爭技術。隨著研究人員在接下來的十年中開發這些提案，他們專注於保持直線對撞機的可負擔性。最終，在2004年8月，一個由12名獨立專家組成的小組評估了擬議的技術，並推薦了TESLA小組（一個由來自40多個機構的科學家組成的合作組織，由德國漢堡的DESY研究中心協調）構思的設計。根據該提案，電子和正電子將穿過一系列稱為腔體的真空室。這些腔體由金屬鈮製成，可以是超導的——當冷卻到非常低的溫度時，它們可以無電阻地導電。這種現象將能夠有效地在腔體內產生強大的電場，該電場將以射頻（大約每秒十億次）振盪。這種振盪場將加速粒子朝向碰撞點。
這種超導射頻（SCRF）設計的基本要素是一個一米長的鈮腔體，它由九個單元組成，可以冷卻到2開爾文（-456華氏度）的溫度。八個或九個腔體將首尾相連地連線成串，並浸入稱為低溫模組的超冷液氦中。ILC中的兩個主直線加速器中的每一個都需要大約900個低溫模組，從而使對撞機總共具有大約16,000個腔體。到目前為止，DESY的研究人員已經建造了10個原型低溫模組，其中五個目前安裝在FLASH中，FLASH是DESY中使用高能電子的雷射器。SCRF技術也將被納入DESY即將推出的歐洲X射線自由電子雷射器（XFEL），它將串聯101個低溫模組，形成一個超導直線加速器，可以將電子加速到約17.5 GeV。
由於如果腔體可以產生更強的電場，ILC的直線加速器可以更短（因此成本更低），因此設計團隊設定了一個積極的目標，即改進SCRF系統的效能，直到它可以為粒子提供每米行進3500萬電子伏特（MeV）的能量提升。幾個原型腔體已經超過了這個目標，但大規模生產這種裝置仍然是一個挑戰。高效能的關鍵是確保腔體的內表面超淨且無缺陷。腔體的製備及其在低溫模組中的安裝必須在潔淨室環境中進行。
ILC簡而言之
ILC設計團隊已經確定了對撞機的基本引數。該機器將長約31公里，其中大部分長度由兩個超導直線加速器佔據，它們將建立500 GeV能量的正負電子碰撞。（一個250 GeV的電子撞擊一個沿相反方向移動的250 GeV的正電子將導致質心能量為500 GeV的碰撞。）ILC將以每秒五次的速率，在一個毫秒長的脈衝中產生、加速和碰撞近3,000個電子和正電子束，對應於每個束約10兆瓦的平均總功率。機器的整體效率——即轉化為束功率的電力比例——約為20%，因此兩個直線加速器總共需要約100兆瓦的電力來加速粒子。
為了產生電子束，雷射將射擊由砷化鎵製成的靶，每次脈衝擊落數十億個電子。這些粒子將是自旋極化的——它們的所有自旋軸都指向相同的方向——這對於許多粒子物理學研究非常重要。電子將在一個短的SCRF直線加速器中迅速加速到5 GeV的能量，然後注入到複合體中心的6.7公里儲存環中。當電子迴圈併發出同步輻射時，粒子束將被阻尼——也就是說，它們的體積將減小，並且它們的電荷密度將增加，從而最大化光束的強度。
當電子束在200毫秒後離開阻尼環時，每個電子束將長約9毫米，比人的頭髮還細。然後，ILC將每個電子束壓縮到0.3毫米的長度，以最佳化其加速以及隨後與探測器內部相應正電子束的碰撞動力學。在壓縮過程中，光束將被提升到15 GeV的能量，之後它們將被注入到主11.3公里長的SCRF直線加速器之一中，並加速到250 GeV。
在直線加速器的中途，當粒子的能量為150 GeV時，電子束將稍微繞道以產生正電子束。電子將被偏轉到一個稱為波盪器的特殊磁鐵中，在那裡它們將部分能量輻射成伽馬射線。伽馬光子將聚焦到一個以每分鐘約1,000轉的速度旋轉的薄鈦合金靶上，撞擊將產生大量的正負電子對。正電子將被捕獲，加速到5 GeV的能量，轉移到另一個阻尼環，最後傳送到ILC另一端的主SCRF直線加速器。一旦電子和正電子完全加速到250 GeV並迅速向碰撞點會聚，一系列磁透鏡將把高能束聚焦成扁平帶狀束，寬度約為640奈米（十億分之一米），高度為6奈米。碰撞後，光束將從相互作用區域中提取出來，並被移除到一個所謂的束流收集器中，該收集器是一個可以安全吸收粒子並消散其能量的靶。
ILC的每個子系統都將推動技術極限，並帶來重大的工程挑戰。對撞機的阻尼環必須實現比現有電子儲存環好幾倍的光束質量。更重要的是，高光束質量必須在整個壓縮、加速和聚焦階段保持。對撞機將需要複雜的診斷、最先進的光束調整程式以及非常精確的元件對準。建造正電子生產系統並將奈米尺寸的光束瞄準碰撞點將是艱鉅的任務。
開發可以分析ILC中碰撞的探測器也將具有挑戰性。例如，為了確定希格斯玻色子和其他粒子之間相互作用的強度，探測器需要測量帶電粒子的動量和產生點，其解析度比以前的裝置好一個數量級。科學家們現在正在研究新的徑跡和量熱器系統，這將使研究人員能夠收穫ILC豐富的物理學成果。
下一步
雖然ILC團隊已經為對撞機選擇了設計方案，但還需要做更多的規劃。在接下來的幾年裡，當LHC開始收集和分析其質子-質子碰撞的資料時，我們將努力最佳化ILC設計，以確保正負電子對撞機以合理的成本實現最佳效能。我們尚不知道ILC將位於何處；該決定很可能取決於政府願意為該專案投入多少資金。與此同時，我們將繼續分析歐洲、美國和日本的ILC樣本地點。地質、地形以及當地標準和法規的差異可能會導致不同的施工方法和成本估算。最終，ILC設計的許多細節將取決於對撞機的確切建造地點。
無論如何，我們的規劃將使我們能夠在LHC的科學發現揭示後續研究的最佳目標後，立即全速前進。在技術設計工作的同時，我們正在建立劃分ILC專案治理的模型，以便每個物理學家群體都有發言權。這項雄心勃勃的事業在其構思、開發和設計方面都是真正全球性的，我們期望它在建設和運營方面也具有徹底的國際性。