下一代高亮度正负电子对撞机——中国超级τ-粲装置的设计与预研
各位前辈。大家上午好。
大家刚才看到了，北京正负电子对撞实验运行30年取得了很多世界顶尖的研究成果，这离不开老一辈科学家当年成功建造的北京正负电子对撞机和北京谱仪实验。饮水思源，我们也要为我们的下一代做同样的事情。我下面给大家介绍一下，我们正在全力推动的一个预研工作，也就是下一代高亮度正负电子对撞机，我们称为中国超级τ-粲装置（Super Tau-Charm Facility，STCF）。
大家可能会关心这两个问题。第一个问题：北京正负电子对撞机已经运行了30多年了，取得了这么多的研究成果，它还有多少物理潜力？进一步问：BESIII实验既然产出了这么多亮点，为什么我们还要提出建造下一代正负电子对撞机实验。
实际上，升级过后的BESIII实验已经运行了13年了，硬件的设计寿命是有限的，通常一个实验的寿命大约为10年，10年之后许多重要的部件需要换。更重要的是BESIII实验空间非常的有限，其环长只有200米，没有空间升级最新的加速器组件，这让它升级受到了很大的限制。
BESIII实验受到国际同行的挑战，比如说日本的Belle实验。日本正在进行升级的Belle-II实验会将之前的亮度提高80倍。这对我们现有的BESIII实验在某些领域上会有一定的威胁。在这种情况下建造一个超级的τ-粲装置，也正是BESIII实验的一个自然延伸。
STCF在BESIII实验的基础上升级了亮度和能量：亮度方面，BESIII实验是1033/cm s，STCF会升级到1035/cm s。这意味着将来运行两天的数据量等于北京正负电子对撞机运行一整年，这亮度大大提高了测量的精度。另外STCF能区可以覆盖到2～7GeV，而4.95～7GeV一这个区间还有很多物理可以覆盖。关于STCF可以研究的物理题目，合作组已经形成了概念设计报告，也已经经过国际同行的评审。
STCF最主要的亮点工作集中在三个方向：一个是刚才沈老师提到的强子谱以及强子结构，本质是对非微扰强相互作用的挑战；第二是解释正反物质不对称性的CP破缺；第三是超出标准模型的新物理。下面我给大家分别举例。
CP破缺用以解释宇宙中正反物质不对称。标准模型告诉我们，宇宙大爆炸一瞬间，在超高能量下正反物质等量产生。而当前宇宙大部分都是正物质的原因在标准模型下的解释就是CP破缺。正反物质产生的时候是对称的，但是随着衰变会发生微小的差别。经过宇宙137亿年到140亿年的演化过程中，反物质的衰变更多一些，正物质的衰变少一些，最后只剩下正物质。CP破缺是现在粒子物理前沿的热点问题。
CP破缺是1980年在K介子衰变中看到，后来在B介子中也发现了CP破缺现象，前年3月份，LHCb实验D介子衰变中也看到了 CP破缺。但是为什么只在两个夸克的介子系统中看到？是否重子系统也存在CP破缺呢？我们需要下一代实验装置给我们答案。
当前世界上BESIII实验对撞出了世界上最大的J/ψ样本，在2019年BESIII实验测量了
过程，在这个量子关联的系统里首次测量到了重子对产生过程中的横极化现象。我们也测量了正反Λ粒子的CP破缺。但是由于统计量还不足够大，测量精度不够，导致我们还没有观测到CP破缺。理论上重子的CP破缺大概是在10-4,10-5量级，也就是说在产生1万个正反粒子的时候，可能会有一个不太对称的事件发生。这是一个非常敏感的探测。需要我们准备一个更高亮度的实验。预计未来来的STCF一年可以采集3×1012个J/ψ粒子，这个规模的数据量下，是有可能达到10-4的测量精度的。如果在STCF上使用新技术约束束流能散的话，我们甚至可以挑战10-5的测量精度。
另外一个非常有意思的物理研究是探究核子结构问题，通常核物理学家使用深度非弹性散射，用电子探针对原子核扫描。电子击碎靶粒子，根据反应末态推算靶粒子结构。在靶粒子开始碎裂的时候，由于夸克间距离比较近，夸克处于渐近自由状态，此时可以用微扰计算。但由于夸克禁闭，飞出的夸克不能以自由夸克的形式存在，而是会强子化。强子化过程是非微扰的，不能计算，理论家使用碎裂函数描述强子化过程，碎裂函数必须通过实验测量，这使得原来不能计算的这部分理论，可以用实验数据替代，然后使得整个的非微扰理论的框架具有一个预言的能力。因此STCF实验正好是和DIS实验室互补的，因为如下图2.1所示，STCF可以通过正负电子对撞湮灭，产生出一对正反夸克。直接测量碎裂函数。
图2.1 正负电子对撞湮灭产生出一对正反夸克
质子内部结构至今还是一个谜，当前认为质子由价夸克和海夸克构成。质子自旋来源中三个价夸克的贡献只有20%，剩下80%来自于海夸克和胶子。需要碎裂函数的测量作为输入量，深度非弹实验才能把核子内部结构搞清楚。另一方面，STCF测量的碎裂函数能区与世界上大多数DIS实验能区相匹配，比如我国正在推进的电子-离子对撞机（EicC）实验。并且STCF的精度满足EicC实验要求。
大部分暗物质实验在低能区缺乏敏感度，由于STCF有世界上最大的J/ψ和ψ(2S)样本，可以在低能区寻找暗物质粒子。 另外STCF还能完成一些超出标准模型的新物理的寻找，比如说轻子味破坏的测量，STCF能够产生大量的τ轻子，可以测量τ→γμ这种味道破坏过程。
图2.2 SCCF和国际同类装置的性能比较
在与国际其他实验的竞争中，STCF在τ-粲能区也保持着独特的优势。见图2.2，在与Belle-II和LHCb两大B工厂的竞争中，在本底水平，系统误差等方面占据优势。我们唯一的劣势因为是正负电子产生，比强子强子的对撞的截面要低。
图2.3 STCF项目启动可行性研究和概念性设计工作
最后我给大家讲一下STCF项目的推动策略和路线图。
该装置的科学目标已在中国的高能物理协会内部达成共识：τ-粲能区有重大科学问题有待研究，我国在物理研究、技术储备、人才队伍等都具有优势，应该继续在该领域保持国际上的的领先地位。国际高能物理领域的也对中国建设STCF表示认可，鉴于中国在该领域的研究水平、技术储备、人才队伍以及国际地位，中国是公认在国际上建设STCF最理想的场所。到目前为止，STCF已经吸引了超过50个国内外大学和研究所有意愿参与预研与建设。项目目前主要是由中科大牵头，国科大和中科大保持紧密合作。目前合作组最主要的任务就是推进概念设计报告和未来的技术设计报告。项目的组织结构主要分成三部分，分别是理论和模拟研究，加速器的研究，和探测器的研究团队。
STCF加速器采用的是跟北京正负电子对撞机相同双环设计，同时采用最前沿的大Piwinski角对撞的技术，此技术提高了对撞区粒子密度，用这个手段使得STCF亮度相比BESIII提高100倍。STCF探测器设计借鉴了BESIII探测器，并采用了当前世界最前沿的探测器技术。
物理上，概念设计报告已经成文，也已经经过了国际评估，吸引了多家外国单位合作。我们组织了定期的国际联合研讨会并开展频繁的国际互访。STCF实验大概建设的投入45亿人民币左右，预研5年建设7年，总计15年完成。
STCF除了服务我们物理的目标以外，还有非常广阔的应用前景。STCF同时也是一个超强同步辐射光源，并且提供强流正电子束，可以作为不可替代的材料学研究平台。其关键技术的开发可以推动我国专用集成电路（ASIC）设计，医疗器械和高端核仪器研发等。另外，作为独特的高维照片，STCF提供海量的粒子物理实验数据，可在大数据，深度机器学习领域实现真正的交叉和共赢，推动粒子物理研究和人工智能领域两者前沿共同向前发展。
如果STCF能够落地，在多个层面上会带来不可替代的作用。在国际的粒子物理这个层面上，STCF具有独特性质和重大的科学发现潜力。在国家层面上，我们需要有大科学装置，有大科学中心，这才能使得我们国家在相应的领域上继续保持竞争力，而且以大科学中心为国际合作和对外交流的窗口。STCF一定可以成为世界性的非微扰强相互作用研究中心。
最后总结如下：τ-粲能区具有独特的性质和重大的科学发展潜力，超级τ-粲装置几十年内还可以继续保持相关的领先地位，它在基础科学，高新技术推动，还有人才培养具有无可替代的科学意义和战略地位。我们现在已经初步组建了国内外的研究团队，然后开展可行性研究和初步概念设计，已经开展关键技术预研，进展显著。所以超级τ-粲加速器探测器技术预研工作对本领域的未来非常重要，
谢谢大家。
