当大型强子对撞机（LHC）将亚原子粒子研究的范围扩展到前所未有的能量尺度时，物理学的新时代将拉开帷幕。但即使在研究人员启动位于法国-瑞士边境下方的LHC巨型储存环中的首次高能碰撞之前，他们已经在构思并致力于下一代伟大的粒子加速器。粒子物理学界的共识选择是一个名为国际直线对撞机（ILC）的拟议设施，这台超过30公里长的机器将以非常接近光速的速度将电子和正电子撞击在一起。（正电子是电子的反物质对应物，质量相同但电荷相反。）
ILC比以往的正负电子对撞机强大得多，它将使物理学家能够跟进LHC的任何开创性发现。LHC旨在研究质子的碰撞，每个质子实际上是由胶子（传递强核力的粒子）结合在一起的三个夸克的束。由于质子内的夸克和胶子不断相互作用，质子-质子碰撞本质上是一件混乱的事情。研究人员无法确定每次碰撞时每个夸克的能量，这种不确定性使得很难确定撞击产生的新粒子的性质。但是电子和正电子是基本粒子而不是复合粒子，因此使用正负电子对撞机的物理学家可以非常精确地知道每次碰撞的能量。这种能力将使ILC成为精确测量新发现粒子的质量和其他特性的极其有用的工具。
来自全球近300个实验室和大学的1600多名科学家和工程师目前正在从事ILC的设计以及分析其粒子碰撞的探测器的开发工作。2007年2月，我们的设计团队发布了该机器的成本估算：67亿美元（不包括探测器的费用）。我们已经进行了研究，比较了将ILC设在三个可能地点的成本——位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心CERN、位于伊利诺伊州巴塔维亚的费米国家加速器实验室以及日本的山区——并且我们正在制定真正国际化的实验室治理方案。虽然ILC的价格标签可能看起来很高昂，但它大致与LHC和ITER核聚变反应堆等大型科学项目的成本相当。如果一切按计划进行，ILC可能会在2020年代的某个时候开始照亮粒子物理学的前沿。
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对撞机的诞生
2005年8月，来自世界各地的大约600名物理学家聚集在科罗拉多州的斯诺马斯，开始规划ILC的开发。但该项目的真正开端可以追溯到1989年CERN的大型正负电子对撞机（LEP）的调试。LEP在周长为27公里的储存环中加速电子和正电子，然后将粒子撞击在一起，产生能量高达1800亿电子伏特（GeV）的撞击。但很明显，LEP将是同类对撞机中最大的，因为将电子和正电子加速到万亿电子伏特（TeV）尺度（也称为太电子伏特尺度）的能量将需要一个周长数百公里的环，并且成本将完全高得令人望而却步。
储存环解决方案的主要障碍是同步辐射：相对较轻的粒子（如电子和正电子）在环中高速运动时会愉快地辐射出能量，它们的路径不断被环的许多偶极磁铁弯曲。由于这些损失使得加速粒子变得越来越困难，因此建造这种对撞机的成本与碰撞能量的平方成正比：一台能量加倍LEP的机器将花费四倍的成本。（对于加速较重粒子（如质子）的对撞机，能量损失没有那么严重；因此，为LEP环挖掘的隧道现在正在被LHC使用。）
更具成本效益的解决方案是直线对撞机，它通过在直线上而不是在环中加速粒子来避免同步辐射。在ILC设计中，两个11.3公里长的直线加速器或直线加速器——一个用于电子，一个用于正电子——相互瞄准，碰撞点在中间。缺点是，电子和正电子必须在机器的每个脉冲上从静止加速到碰撞能量，而不是通过储存环的每个回路来积累速度。为了获得更高的碰撞能量，可以简单地建造更长的直线加速器。设施的成本与碰撞能量成正比，这使得直线对撞机在TeV尺度上比储存环概念具有明显的优势。
在欧洲建造LEP的同时，美国能源部正在斯坦福直线加速器中心（SLAC）建造一台竞争机器。SLAC的设备被认为是直线对撞机概念的原理验证，它使用一个三公里长的直线加速器串联加速电子和正电子束，将它们提升到约50 GeV的能量。然后，将这些束磁性分离并弯曲，使它们迎头相撞。虽然SLAC的机器（从1989年运行到1998年）并不完全是真正的直线对撞机，因为它只使用了一个直线加速器，但该设施为ILC铺平了道路。
TeV尺度直线对撞机的规划在1980年代后期和1990年代初期认真开始，当时提出了几种竞争技术。随着研究人员在接下来的十年中开发这些提案，他们专注于保持直线对撞机的可负担性。最终，在2004年8月，一个由12名独立专家组成的小组评估了拟议的技术，并推荐了TESLA小组（一个由来自40多个机构的科学家组成的合作组织，由德国汉堡的DESY研究中心协调）构思的设计。根据该提案，电子和正电子将穿过一系列称为腔体的真空室。这些腔体由金属铌制成，可以是超导的——当冷却到非常低的温度时，它们可以无电阻地导电。这种现象将能够有效地在腔体内产生强大的电场，该电场将以射频（大约每秒十亿次）振荡。这种振荡场将加速粒子朝向碰撞点。
这种超导射频（SCRF）设计的基本要素是一个一米长的铌腔体，它由九个单元组成，可以冷却到2开尔文（-456华氏度）的温度。八个或九个腔体将首尾相连地连接成串，并浸入称为低温模块的超冷液氦中。ILC中的两个主直线加速器中的每一个都需要大约900个低温模块，从而使对撞机总共具有大约16,000个腔体。到目前为止，DESY的研究人员已经建造了10个原型低温模块，其中五个目前安装在FLASH中，FLASH是DESY中使用高能电子的激光器。SCRF技术也将被纳入DESY即将推出的欧洲X射线自由电子激光器（XFEL），它将串联101个低温模块，形成一个超导直线加速器，可以将电子加速到约17.5 GeV。
由于如果腔体可以产生更强的电场，ILC的直线加速器可以更短（因此成本更低），因此设计团队设定了一个积极的目标，即改进SCRF系统的性能，直到它可以为粒子提供每米行进3500万电子伏特（MeV）的能量提升。几个原型腔体已经超过了这个目标，但大规模生产这种设备仍然是一个挑战。高性能的关键是确保腔体的内表面超净且无缺陷。腔体的制备及其在低温模块中的安装必须在洁净室环境中进行。
ILC简而言之
ILC设计团队已经确定了对撞机的基本参数。该机器将长约31公里，其中大部分长度由两个超导直线加速器占据，它们将建立500 GeV能量的正负电子碰撞。（一个250 GeV的电子撞击一个沿相反方向移动的250 GeV的正电子将导致质心能量为500 GeV的碰撞。）ILC将以每秒五次的速率，在一个毫秒长的脉冲中产生、加速和碰撞近3,000个电子和正电子束，对应于每个束约10兆瓦的平均总功率。机器的整体效率——即转化为束功率的电力比例——约为20%，因此两个直线加速器总共需要约100兆瓦的电力来加速粒子。
为了产生电子束，激光将射击由砷化镓制成的靶，每次脉冲击落数十亿个电子。这些粒子将是自旋极化的——它们的所有自旋轴都指向相同的方向——这对于许多粒子物理学研究非常重要。电子将在一个短的SCRF直线加速器中迅速加速到5 GeV的能量，然后注入到复合体中心的6.7公里储存环中。当电子循环并发出同步辐射时，粒子束将被阻尼——也就是说，它们的体积将减小，并且它们的电荷密度将增加，从而最大化光束的强度。
当电子束在200毫秒后离开阻尼环时，每个电子束将长约9毫米，比人的头发还细。然后，ILC将每个电子束压缩到0.3毫米的长度，以优化其加速以及随后与探测器内部相应正电子束的碰撞动力学。在压缩过程中，光束将被提升到15 GeV的能量，之后它们将被注入到主11.3公里长的SCRF直线加速器之一中，并加速到250 GeV。
在直线加速器的中途，当粒子的能量为150 GeV时，电子束将稍微绕道以产生正电子束。电子将被偏转到一个称为波荡器的特殊磁铁中，在那里它们将部分能量辐射成伽马射线。伽马光子将聚焦到一个以每分钟约1,000转的速度旋转的薄钛合金靶上，撞击将产生大量的正负电子对。正电子将被捕获，加速到5 GeV的能量，转移到另一个阻尼环，最后发送到ILC另一端的主SCRF直线加速器。一旦电子和正电子完全加速到250 GeV并迅速向碰撞点会聚，一系列磁透镜将把高能束聚焦成扁平带状束，宽度约为640纳米（十亿分之一米），高度为6纳米。碰撞后，光束将从相互作用区域中提取出来，并被移除到一个所谓的束流收集器中，该收集器是一个可以安全吸收粒子并消散其能量的靶。
ILC的每个子系统都将推动技术极限，并带来重大的工程挑战。对撞机的阻尼环必须实现比现有电子储存环好几倍的光束质量。更重要的是，高光束质量必须在整个压缩、加速和聚焦阶段保持。对撞机将需要复杂的诊断、最先进的光束调整程序以及非常精确的组件对准。建造正电子生产系统并将纳米尺寸的光束瞄准碰撞点将是艰巨的任务。
开发可以分析ILC中碰撞的探测器也将具有挑战性。例如，为了确定希格斯玻色子和其他粒子之间相互作用的强度，探测器需要测量带电粒子的动量和产生点，其分辨率比以前的设备好一个数量级。科学家们现在正在研究新的径迹和量热器系统，这将使研究人员能够收获ILC丰富的物理学成果。
下一步
虽然ILC团队已经为对撞机选择了设计方案，但还需要做更多的规划。在接下来的几年里，当LHC开始收集和分析其质子-质子碰撞的数据时，我们将努力优化ILC设计，以确保正负电子对撞机以合理的成本实现最佳性能。我们尚不知道ILC将位于何处；该决定很可能取决于政府愿意为该项目投入多少资金。与此同时，我们将继续分析欧洲、美国和日本的ILC样本地点。地质、地形以及当地标准和法规的差异可能会导致不同的施工方法和成本估算。最终，ILC设计的许多细节将取决于对撞机的确切建造地点。
无论如何，我们的规划将使我们能够在LHC的科学发现揭示后续研究的最佳目标后，立即全速前进。在技术设计工作的同时，我们正在创建划分ILC项目治理的模型，以便每个物理学家群体都有发言权。这项雄心勃勃的事业在其构思、开发和设计方面都是真正全球性的，我们期望它在建设和运营方面也具有彻底的国际性。