現(xiàn)有的大型對撞機(jī)加速的粒子往往是質(zhì)子和電子。事實(shí)上，相比于質(zhì)子和電子對撞機(jī)，μ子對撞機(jī)可以達(dá)到更高的能量尺度，卻只需更小的設(shè)備和更低的成本。那么，μ子對撞機(jī)能否帶我們進(jìn)入更深層的粒子世界呢？

劉航 /文

“巨大的對撞機(jī)正在揭開宇宙的秘密?！?990年4月16日，《時代》雜志的封面故事討論了巨型粒子加速器，包括德克薩斯州的超導(dǎo)超級對撞機(jī)，然而它最終因造價過高被迫半途而廢。

但是歐洲核子研究中心（CERN）的研究人員沒有放棄，從1998年到2008年，他們在瑞士日內(nèi)瓦附近已有的正負(fù)電子對撞機(jī)隧道中建造了周長27公里的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）。如今，大型強(qiáng)子對撞機(jī)和其他加速器已經(jīng)為許多重大發(fā)現(xiàn)做出了貢獻(xiàn)，從新夸克的發(fā)現(xiàn)，到第三代輕子的觀測，再到希格斯玻色子的確認(rèn)，粒子物理的每個重大進(jìn)展都離不開加速器。

現(xiàn)有的大型對撞機(jī)帶領(lǐng)我們窺探了宇宙深層的美妙圖景。然而，仍然有很多未解之謎等待著我們?nèi)ヌ剿鳎合８袼共Ｉ优c標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言是否一致？超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理是否存在？是否存在額外維度？宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對稱性要如何解釋？暗物質(zhì)和暗能量之謎如何才能揭開？

科學(xué)家期望在更高能的對撞機(jī)中探索世界的本質(zhì)，但這些“巨型對撞機(jī)”卻是如此昂貴，為此，科學(xué)家絞盡腦汁地試圖尋找創(chuàng)新方法，以減少未來對撞機(jī)的花費(fèi)。其中一種有效的方法就是建造μ子對撞機(jī)。就在最近，μ子電離冷卻實(shí)驗(yàn)合作組（MICE）在《自然》雜志上報(bào)告了新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這使科學(xué)家距離實(shí)現(xiàn)μ子對撞機(jī)又近了一步。

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μ子對撞機(jī)的優(yōu)勢

在對撞機(jī)中，兩束粒子流不斷積累并加速，最終達(dá)到一定的束流強(qiáng)度和能量，當(dāng)它們在相向運(yùn)動的狀態(tài)下發(fā)生對撞——“轟！”——物質(zhì)的深層結(jié)構(gòu)將展現(xiàn)在我們眼前。傳統(tǒng)對撞機(jī)中被加速的粒子可以是正負(fù)電子 、質(zhì)子或反質(zhì)子，也可以是相對論重離子。

μ子與電子一樣，都是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的一種基本粒子，它們同屬于輕子，都帶有一個單位負(fù)電荷，但μ子的質(zhì)量是電子的207倍。這一特性對所建造的對撞機(jī)的大小，進(jìn)而對成本具有重要影響，也決定了對撞機(jī)中粒子碰撞可達(dá)到的能量量級，以及對撞機(jī)能夠做出怎樣的發(fā)現(xiàn)。這些正是μ子對撞機(jī)相較于傳統(tǒng)對撞機(jī)的優(yōu)勢所在。

對撞機(jī)的目的是使粒子加速達(dá)到更高的能量，并以盡可能大的能量彼此碰撞。然而，當(dāng)粒子的軌跡在環(huán)形加速器的磁場中彎曲時，它們實(shí)際上會通過輻射損失能量。相比于電子這樣的輕粒子，質(zhì)子和μ子這樣的重粒子在這個過程中損失的能量要少得多。因此，目前可以達(dá)到最高能量的環(huán)形對撞機(jī)（如LHC）加速的便是質(zhì)子。

然而我們知道，質(zhì)子并不是基本粒子，而是由真正的基本粒子夸克組成的。當(dāng)這些束縛態(tài)的夸克發(fā)生碰撞時，只有大約六分之一到十分之一的質(zhì)子碰撞能量可用于產(chǎn)生其他粒子。相比之下，由于μ子是基本粒子，它們碰撞產(chǎn)生的所有能量都可用于生成新粒子。

μ子加速器作為粒子對撞機(jī)的一個用途是建造 “希格斯工廠”。希格斯工廠是一種非常理想的設(shè)備，它能夠產(chǎn)生大量的希格斯玻色子，并且能夠精確測定這些粒子的特性。如果基于傳統(tǒng)的線性加速器，利用正負(fù)電子碰撞來建造希格斯工廠，其長度需達(dá)10至20公里。而若是基于環(huán)形μ子對撞機(jī)，其周長僅需0.3公里。

除了希格斯工廠，μ子加速器還可以用于建造“中微子工廠”。如果可以將μ子存儲在長直跑道般的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，μ子的衰變將產(chǎn)生強(qiáng)烈的中微子束。這種被稱為中微子工廠的設(shè)備將揭示中微子的奧秘和超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。

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電離冷卻技術(shù)聚焦μ子束

然而要實(shí)現(xiàn)中微子工廠或μ子對撞機(jī)，科學(xué)家必須首先學(xué)會如何操縱μ子束。不像電子束可以如同激光那樣匯聚成極細(xì)的束流，μ子束的產(chǎn)生過程更復(fù)雜，未經(jīng)冷卻的μ子束更像是散彈槍發(fā)射的子彈。因此，科學(xué)家需要聚焦μ子束，這涉及到減少μ子在垂直于束流方向上位置和速度的擴(kuò)散。

μ子束的擴(kuò)散與溫度有關(guān)，冷卻μ子束就可以減少橫向擴(kuò)散。不過，因?yàn)棣套硬⒉环€(wěn)定，極易發(fā)生衰變，它們存在時間很短，靜止壽命僅為 2.2 微秒，對于加速器中常用的四種冷卻技術(shù)——同步加速器輻射冷卻、激光冷卻、隨機(jī)冷卻和電子冷卻，如果單獨(dú)應(yīng)用這四種方法的一種，在每種情況下，冷卻粒子束所需的時間都比μ子壽命長，因而不能實(shí)現(xiàn)μ子的迅速冷卻。

因此科學(xué)家提出了一種全新的電離冷卻技術(shù)來冷卻μ子束。用這種方法，加速器的一部分包含原子量較低的材料，當(dāng)μ子穿過加速器時，材料中原子的電子會被電離，從而減少μ子位置和速度的擴(kuò)散。MICE合作組的目標(biāo)就是建造和測試用于μ子電離冷卻的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)這種冷卻技術(shù)，并驗(yàn)證用于電離冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真工具。

在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家首先讓質(zhì)子束撞擊標(biāo)靶物體，產(chǎn)生包含π介子、K介子和μ子的次級粒子束。其中π介子和K介子會衰變產(chǎn)生更多的μ子。在這個階段，μ子束的橫向位置和速度擴(kuò)散到很寬的范圍。當(dāng)這些μ子束通過由氫化鋰或液態(tài)氫制成的能量吸收介質(zhì)時，電離冷卻的過程會減少其橫向擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)μ子束的聚焦。

在加速器實(shí)驗(yàn)中，通常通過測量束流的質(zhì)心、粒子位置的擴(kuò)散或密度分布，來評價束流的品質(zhì)。為了證明電離冷卻，MICE合作組采取了前所未有的方法，用對撞探測器技術(shù)測量了通過實(shí)驗(yàn)裝置的每一個μ子的輸入和輸出坐標(biāo)及速度。通過測量小振幅粒子數(shù)量的增加和粒子束的相空間密度的增加，科學(xué)家可以確認(rèn)，他們實(shí)現(xiàn)了μ子的電離冷卻。

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未來的對撞機(jī)

目前，世界各地的科研機(jī)構(gòu)在制定各種長期戰(zhàn)略，以試圖探索高能物理的前沿。這些計(jì)劃既包括設(shè)計(jì)周長達(dá)100公里的環(huán)形對撞機(jī)，例如中國的環(huán)形正負(fù)電子/質(zhì)子對撞機(jī)（CEPC/SPPC）、歐洲核子中心的未來環(huán)形對撞機(jī)（FCC-ee/FCC-hh）等，也包括設(shè)計(jì)長達(dá)30公里的直線對撞機(jī)，例如日本計(jì)劃建造的國際直線對撞機(jī)（ILC）。這些設(shè)備擬加速質(zhì)子、電子和正電子等常用粒子，以盡量降低技術(shù)風(fēng)險，但它們?nèi)匀恍枰馁M(fèi)巨大的成本，并面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)。這些都將影響計(jì)劃的可行性。

也有一些計(jì)劃會使用創(chuàng)新技術(shù)來設(shè)計(jì)，例如基于激光和等離子體的加速技術(shù)。這些方法在開發(fā)低能耗的緊湊型加速器方面取得了很大的進(jìn)步，但是，如果既要保持高束流品質(zhì)，又要達(dá)到高能量量級，還需要進(jìn)行多年的摸索。另外則有一些計(jì)劃使用了μ子束。

MICE合作組首次實(shí)現(xiàn)了μ子電離冷卻技術(shù)，但是，需要注意的是目前冷卻量還很小，電離冷卻技術(shù)仍然處于起步階段。要獲得能夠用于對撞的μ子束，科學(xué)家必須從μ子中吸收比這次實(shí)驗(yàn)中多一萬倍的能量。科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了用于μ子對撞機(jī)的概念設(shè)計(jì)，但是要實(shí)現(xiàn)有效的μ子冷卻系統(tǒng)和μ子對撞機(jī)，還需要做更多的工作。

綜合考慮技術(shù)和花費(fèi)，以上種種提議中，到底哪種方法在未來的高能前沿實(shí)驗(yàn)中最可行？現(xiàn)在我們還很難說。但是，如果物理學(xué)家能夠冷卻和控制μ子束，那么實(shí)現(xiàn)μ子環(huán)形對撞機(jī)將指日可待。

μ子優(yōu)于質(zhì)子，它們能提供清晰的碰撞；μ子也優(yōu)于電子，當(dāng)粒子軌跡被加速器磁鐵偏轉(zhuǎn)時，它們損失的能量更小。μ子對撞機(jī)可以在體積小得多的情況下，實(shí)現(xiàn)與電子或質(zhì)子對撞機(jī)相比擬甚至更高的能量量級。MICE合作組的成果是通往現(xiàn)實(shí)的μ子冷卻系統(tǒng)的里程碑，這一進(jìn)展或許會帶領(lǐng)我們實(shí)現(xiàn)中微子工廠和μ子對撞機(jī)。

參考資料

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-020-00212-3#ref-CR2

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-020-1958-9#Sec5

[3]https://www.scientificamerican.com/article/mice-cold-collaboration-demonstrates-muon-ionization-cooling/

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider