|作者：陳繕真1,? 周小蓉2 李剛1

(1 中國科學院高能物理研究所)

(2 中國科學技術大學物理學院)

本文選自《物理》2025年第4期

摘要過去50年，粲物理研究以含粲夸克的粒子(如粲介子、粲重子及粲偶素態)為核心，揭示了強、弱相互作用的深層規律，并為探索新物理提供了獨特窗口。粲夸克作為唯一可形成束縛態并研究弱衰變的“上型”夸克，其研究依賴于加速器實驗，目前主要依托BESⅢ、BelleⅡ、LHCb等實驗。面向未來，粲物理將依托新一代的高亮度實驗裝置，包括中國超級陶粲裝置(STCF)和環形正負電子對撞機(CEPC)。這兩個裝置將形成互補：STCF深耕低能區的系統性測量，CEPC依托高能擴展相空間，共促強相互作用理論、宇宙正反物質不對稱性及奇特強子態本質的突破。文章介紹了這些未來大科學工程的設計概況，以及最新的研究進展。這些未來的大科學裝置不僅是粒子物理探索物質起源與基本相互作用的載體，更將引領技術革新，為人類理解宇宙開啟新篇章。

關鍵詞粲物理，超級陶粲裝置，環形正負電子對撞機

01

過去50年粲物理實驗研究的歷史進程

粲物理的研究對象包括含有粲夸克的各種復合粒子，對這些粒子的研究為驗證標準模型的強相互作用和弱相互作用及超出標準模型的理論提供了獨特的機會。作為三代夸克中第二代的“上夸克型”夸克，粲夸克是六種夸克中質量第三重的。含有粲夸克的粒子有很多種，包括包含一個粲夸克的開放粲介子，以及包含一個或多個粲夸克的開放粲重子，或者包含一對正反粲夸克的粲偶素態。此外，實驗上還觀察到了幾種包含粲夸克的、無法用傳統的介子或重子來解釋的粒子，它們的確切性質是當今未解答的問題之一。

由于頂夸克壽命太短無法形成束縛態，且上夸克質量太輕十分穩定，所以粲夸克是唯一一種可以研究弱相互作用衰變的“上夸克型”夸克。因此對粲夸克的研究具有獨特意義。對于含有粲夸克的粒子的實驗研究，在過去五十年內經歷過多次熱潮。第一次熱潮是由丁肇中和伯頓·里克特(Burton Richter)分別實驗發現粲夸克而帶來的“November Revolution(十一月革命)”[1，2]，此次發現證實了由GIM機制預言的第四種夸克[3]。此后，BaBar、CLEO、Belle等實驗發現無法基于量子色動力學(QCD)的夸克模型解釋DsJ態[4—7]、BaBar和Belle實驗發現中性粲介子的混合現象[8，9]、BESⅢ等實驗發現Zc(3900)等奇特強子態[10，11]、LHCb實驗發現粲介子的CP破壞[12]等實驗研究結果均引起了對含有粲夸克的粒子的研究熱潮。

到目前為止，所有對粲夸克的研究都依賴于粒子加速器。由于在不同種類的加速器上含粲粒子具有不同的產生機制，因此具有很不相同的產生截面。在正負電子對撞機上，研究粲物理主要依靠兩種不同的運行模式。第一種運行模式是將對撞機的質心能量調至略高于3770 MeV/c2，此時在對撞機上可以產生ψ(3770)介子。這些介子幾乎完全衰變為量子關聯的D0D0或D+D?對。這種生產方式最早由SLAC的SPEAR對撞機上的MARKⅢ合作組開創，其也被用于CESR-c對撞機上的CLEO-c實驗以及BEPCⅡ上的BESⅢ實驗。類似的，如果將對撞機的質心能量調制到其他含粲介子的能量附近，也可研究其他粒子。

另外一種運行模式是在更高的質心能量下運行，以產生γ(4S)，它會衰變為量子關聯的B0B0或B+B?對，而B介子則可以衰變為含有粲夸克的粒子。這種方法被位于PEP-Ⅱ對撞機上的BaBar實驗、KEKB對撞機上的Belle實驗，以及SuperKEKB對撞機上的BelleⅡ實驗所采用。PEP-Ⅱ和KEKB以及SuperKEKB都是非對稱對撞機，這意味著電子和正電子束的能量不同，它們的對撞質心系相對于實驗室坐標系是有前沖的，因此可以進行對衰變時間依賴的研究。

在強子加速器上，除了丁肇中團隊發現粲夸克時所用的束流打靶實驗外，對含粲粒子的研究主要依賴于強子對撞機。由于在強子對撞機中參與相互作用的是強子中的部分子，因此即使在強子對撞機中兩束束流能量相同，參與相互作用的部分子的能量也可以大不相同。在強子對撞機上，含粲粒子大多也是前沖的，因此也可以進行對衰變時間依賴的研究。在大型強子對撞機LHC上，LHCb實驗的主要目標就是底強子、粲強子等重味粒子，因此被設計為單臂前向探測器。

目前，對于粲物理研究來說，最主要的實驗包括BESⅢ實驗、BelleⅡ實驗，以及LHCb實驗。這三個實驗的預期粲粒子產額如表1所示[13]。

表1 BESⅢ實驗、BelleⅡ實驗、LHCb實驗上含粲粒子的預期產額

*這里粒子產生截面的數據使用了σ ( @3.77 GeV) = 3.61 nb，σ (D+D-@3.77 GeV) = 2.88 nb，σ (Ds*Ds@4.17 GeV) = 0.967 nb，σ ( @10.58 GeV) = 1.3 nb，σ （D 0 @LHCb）=1661 μb，截面數據主要來源于參考文獻[13］。

目前，我們對含粲夸克的粒子的認知仍有很多缺失，比如，我們尚未理解多夸克態的本質是什么，尚未發現粲味重子中是否有CP破壞現象，也沒有發現中性粲介子混合中是否存在CP破壞，雖然已在粲味介子的兩體衰變中尋找到了CP破壞，但是仍未發現多體衰變中CP破壞在相空間內的分布情況。這些都需要更高統計量的數據來進行研究，因此，在未來的對撞機實驗上，粲物理仍然是需要研究的重點課題。

02

未來粲物理的實驗裝置

當前，國際上的加速器粒子物理實驗普遍開始了新一輪的迭代升級，對撞亮度較前一代實驗普遍要求有數量級的提升。在B物理能區，位于日本高能加速器研究機構的B工廠率先開展升級工作，預期亮度提升40倍，并已進入了運行期。而在陶粲能區，我國北京正負電子對撞機已接近壽命和空間的極限，近期對加速器和探測器的升級預期將會把對撞機在高能區(束流能量2.35 GeV)的取數效率在原有基礎上提升3倍，但已不具備進一步大幅度提升性能的潛力。近年來，北京正負電子對撞機上的一系列重大研究成果凸顯了該能區的物理的重要性和研究前景，更是期待擁有更高性能的裝置。因此，我國的粒子物理領域迫切需要建設新一代陶粲能區實驗裝置，搶占國際粒子物理研究前沿和新一代對撞機實驗技術的高地。為此，我國粒子物理學界提出建設新一代的正負電子對撞機——超級陶粲裝置(STCF)，它的結構示意圖如圖1所示。其設計質心能量為2—7 GeV，峰值亮度大于0.5×1035 cm?2s?1，預期每年將獲取超過1 ab?1的實驗數據，同時在設計時保留了未來進一步提升亮度和實現束流極化的空間。STCF將運行在量子色動力學的微擾與非微擾的過渡區域，具有一系列獨特的性能和豐富的物理課題，是研究宇宙中正反物質不對稱(CP破壞)、探索強子內部結構、尋找奇特態物質和新物理等前沿物理課題的獨特平臺，進而促進對標準模型中強相互作用理論的理解和電弱對稱性破缺機制的精確檢驗，在國際粒子物理的研究領域中發揮不可替代的作用。STCF上大統計量、高精度、低本底的實驗數據將為上述的重大科學問題提供重要信息，特別是成對產生的粲強子、超子或者陶輕子對等具有的量子關聯特性，能夠為提高研究精度提供重要途徑。

圖1　超級陶粲裝置(STCF)的結構示意圖

而在更高的能區，由我國科學家提出并設計的環形正負電子對撞機(CEPC)以及由歐洲核子研究中心提出的未來環形對撞機的正負電子對撞階段(FCC-ee)都可以運行在Z玻色子能區(對撞能量大約91 GeV)，并且都能夠產生萬億數量級的Z玻色子，成為未來的高亮度的Z玻色子工廠。CEPC是中國牽頭發起的國際高能物理旗艦型大科學工程，是一個周長達100 km、有至少兩個對撞點的正負電子對撞機，它的結構示意圖如圖2所示。它的核心目標是探索希格斯物理，并探索新物理，同時可對標準模型、味物理、量子色動力學(QCD)等展開精確測量，具有巨大的物理潛力。在每束流50 MW同步輻射(SR)功率的運行場景下，CEPC的Z玻色子工廠模式將會產生大約4×1012個Z玻色子[14]，而Z玻色子有大約12%的幾率衰變成一對正反粲夸克，因此，Z玻色子工廠為粲物理的研究提供了另一種研究模式，并成為未來粲物理研究的重要陣地。由于是正負電子對撞機，CEPC的含粲夸克粒子產額雖不及強子對撞機上的LHCb，但它卻有三個獨特優勢：第一，粒子產生的環境更“干凈”，信噪比遠高于強子對撞機LHCb；第二，除了能產生大量粲介子和底介子外，也能產生其相應更高質量的激發態乃至重子態，還能通過雙光子對撞過程產生豐富的其他量子數的粲偶素、底偶素粒子；第三，對撞事件的重建效率比LHCb有成數量級的優勢，尤其是在中性粒子的重建方面，CEPC的優勢更為明顯，因此CEPC在粲物理研究方面也有獨特的潛力。

圖2　環形正負電子對撞機(CEPC)的結構示意圖

STCF和CEPC的預期粒子產額如表2所示[15]。

表2 STCF和CEPC的預期粒子產額

*CEPC數據來源于參考文獻[15］。

03

裝置的研發進展情況

3.1　超級陶粲裝置

相對于當前正在運行的第二代陶粲裝置北京正負電子對撞機BEPCⅡ/北京譜儀BESⅢ實驗，STCF質心能量覆蓋范圍往高能區域擴展了2 GeV，峰值亮度提升了兩個量級，由此，在加速器和探測譜儀的設計和建設中面臨重大的物理和技術挑戰。為了實現超高亮度，STCF將采用廣泛運用的扁平對稱正負電子束和雙環結構。STCF加速器的對撞環為雙環對稱結構，周長約800—1000 m，正負電子束流能量相等。儲存環不對束流進行加速，維持正負電子束流在設定的能量，對循環束流由于同步輻射造成的能量損失進行補充。STCF全環目前設計的是一個對撞點(interaction point，IP)，設置兩個較長的直線節，分別作為對撞區和注入區使用；另外設置多個直線節用于安裝阻尼扭擺器等。對撞環的加速器磁元件排列結構已有初步設計，但仍需要大量優化和充分討論。在開展加速器磁元件結構的進一步設計的同時，對撞環的設計還需要考慮以下因素：對撞區的各種磁元件的非線性效應、漏磁、對探測器磁場的抵消；縱向動力學和集體效應、束流壽命的優化；束—束效應研究和基于工作點的亮度掃描；誤差分析與軌道校正；阻尼扭擺器等。這些工作將相互迭代、共同推進。在裝置技術設計完成前，可以有不同的設計方案，會充分考慮對撞機的聚焦磁鐵和散焦磁鐵順次排列的結構和第四代同步輻射光源的MBA結構的優點，以兼顧橫向及縱向束流動力學的需求。此外，多個直線節還可為未來升級安裝西伯利亞蛇保留空間，以期在二期工程中升級為正電子束—極化電子束對撞。

為了滿足高亮度條件下的STCF物理研究需求，需要設計和建造一臺由多種粒子探測器組合而成的大型綜合粒子探測裝置——STCF探測譜儀，對正負電子對撞后產生的末態粒子進行探測和種類鑒別。粒子物理實驗要求探測譜儀有盡可能大的立體覆蓋角，對帶電粒子有高的探測效率、動量分辨和鑒別能力，對光子有高的探測效率以及能量、位置與時間分辨率。相對于BEPCⅡ，STCF的質心系能量范圍擴大了兩倍，對撞亮度則提高了兩個量級，其譜儀的設計將面臨更大動態范圍、更高輻射本底、計數率和有效事例率的挑戰。由此，STCF探測器的設計和建設將采用當前最先進的技術方案，針對具體物理目標進行優化，預期性能需要很好地滿足物理需求。此外，STCF的物理目標和運行環境要求探測譜儀有強的抗輻照和計數率能力、盡可能大的立體覆蓋角，對末態帶電粒子有高的探測效率、動量分辨和粒子種類鑒別能力，對末態光子有高的探測效率以及能量與位置分辨率，對堆積的物理事例有強的區分能力，具有高效觸發判選和高速數據獲取與處理的能力。項目組已完成物理和探測器概念性設計[16]，并在安徽省的支持下，開展關鍵技術攻關，已取得了重大的研究進展。通過關鍵技術攻關項目，解決并完全掌握加速器和探測譜儀的核心技術和工藝，形成完備的建設方案，同時培養項目的國際研究團隊和技術隊伍，為項目奠定了技術和人才基礎。關鍵技術攻關項目計劃于2025年12月份完成。

3.2　環形正負電子對撞機

早在1989年至1995年間，在歐洲核子研究中心有一臺能量在Z玻色子產生能量，即91 GeV運行的對撞機，它就是大型正負電子對撞機LEP。在LEP上運行的4個探測器實驗于6年多的數據采集階段，每一個實驗都記錄下了大約450萬個Z玻色子衰變的事例。然而CEPC的Z粒子工作模式的設計瞬時亮度比LEP高出了大約6個數量級，這給加速器和探測器的設計帶來了極高的挑戰。

由于CEPC可在Z玻色子(對撞能量91 GeV)、WW玻色子對(對撞能量160 GeV)、希格斯粒子(對撞能量240 GeV)等多個能區運行，因此高亮度、對撞能量可靈活切換的加速器，以及高效、精準的探測器是實現其科學目標的必要條件。考慮到科學需求、技術成熟度和先進性、性價比等各方面的平衡，加速器采用局部雙環(希格斯模式)、雙環(W/Z模式)可兼容的創新設計。為達到加速器的設計指標，自項目被提出以來，CEPC加速器預研團隊依托第四代同步輻射光源——高能光源(HEPS)的建設，開展并完成了一系列加速器核心部件的研制，包括國際上率先開始研制的P波段高效速調管，關鍵性能參數國際領先的超導高頻腔，大尺寸、高精度、極弱場二極磁鐵以及高精度雙孔徑磁鐵等關鍵磁鐵等。同時，一系列技術在CEPC預研過程中得以突破和完善，這包括已達到國際先進水平的電源和快脈沖磁鐵技術等。此外，CEPC面向未來，積極布局了先進高場超導磁體技術預研，率先研究了鐵基高溫超導磁體技術在加速器領域的應用；并基于高能物理的需求，布局研究性能先進的等離子體加速技術。

除了尖端的加速器技術以外，CEPC的建設需要超大規模科學裝置的建設能力。HEPS是我國最長、綜合指標最高的儲存環加速器。HEPS的建設為CEPC所需的高標準基建技術，高精度機械準直與安裝，高效穩定的大型超導低溫系統，大科學工程組織管理等奠定了基礎，同時也培養了專業工程隊伍。HEPS作為輻射亮度國際領先的第四代同步輻射裝置，在先進加速器物理和尖端技術方面為CEPC的預研做了驗證。例如，HEPS和CEPC的希格斯粒子能區工作模式都采用在軸注入方式，涉及到的時序設計與實現，快脈沖磁鐵技術在HEPS先期驗證，后續可以直接用在CEPC上；HEPS和CEPC都需要大規模使用非蒸散型吸氣劑(NEG)真空鍍膜技術，提高真空度、降低束流不穩定性，該技術已經通過HEPS的建設成功實現；HEPS要求極高的設備準直精度，開發的一系列專利技術可以應用于CEPC：研發了大批量的超高精度磁鐵的生產和測試手段，奠定了磁鐵系統的基礎；通過快反饋控制系統，抑制儲存環束流的不穩定性，解決了相關的技術難題；超導高頻系統成功建設運行的經驗也可以用于CEPC。

在探測器方面，由于粲物理研究對于末態粒子鑒別、粒子頂點識別等有較高要求，因此目前預研的CEPC探測器，在頂點測量方面，采用了利用CMOS圖像傳感器技術的新型硅像素頂點探測器，可同時滿足高空間分辨率、超低物質量與高計數率的物理要求，并可準確識別底夸克和粲夸克的次級衰變頂點。在徑跡測量方面，CEPC探測器采用了硅探測器與氣體探測器相結合的徑跡系統，可同時精確測量粒子徑跡、動量并鑒別粒子種類。在量能器方面，CEPC采用了支持粒子流算法的晶體電磁量能器和閃爍玻璃強子量能器，以追求盡可能好的光子能量分辨、強子能量分辨、噴注能量重建等。而在磁場方面，CEPC探測器采用高溫超導電纜獲得了極薄的磁體，以減少物質量，提高精度。

目前，CEPC預研團隊已完成了百公里加速器的物理設計和一系列探測器的技術預研，一系列關鍵技術的樣機研制已達到國際先進水平，如圖3所示。CEPC研究團隊正在爭取于“十五五”期間開始項目的建設。

圖3 CEPC關鍵技術的樣機 (a)1.3 GHz超導模組全尺寸樣機；(b)650 MHz、800 kW高效速調管樣機；(c)18 kW@4 K大型低溫制冷機樣機；(d)增強器低場二極鐵全尺寸樣機

04

對未來的展望

對于含有粲夸克的粒子，或者更廣泛的考慮包含c和b兩種重夸克的粒子，STCF和CEPC兩個裝置都為未來的研究提供了難得的機遇。STCF的亮度比BEPCⅡ提升2個量級，會在2—7 GeV的粲夸克能區對其進行系統和精確的研究；而CEPC在91 GeV的能區將產生4萬億Z玻色子，Z玻色子的衰變產物中包含千億級的c夸克和b夸克，同時其高能量帶來的大相空間，能產生多種潛在的包含重夸克的強子。二者的探測器都針對重味夸克的研究采用了最先進的技術，但物理目標各有側重。因此，CEPC和STCF可以相得益彰、互為補充。

總體來看，粒子物理學的未來項目對于推動物理學的發展至關重要，它們不僅是技術上的突破，更是人類對自然界深層次理解的追求。通過這些實驗，我們希望能夠解開宇宙的更多秘密，為人類的知識寶庫增添新的篇章。同時，投資于這些前沿科學項目也是對未來的一次投資，它們將幫助我們更好地理解所處的宇宙，并可能為人類帶來新的技術革新。

參考文獻

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[16] STCF Study Group. Front. Phys.，2024，19：14701

（參考文獻可上下滑動查看）

紀念粲夸克發現50周年及北京譜儀Ⅲ實驗專題

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