英國倫敦帝國理工學(xué)院領(lǐng)銜的國際研究團(tuán)隊在粒子物理領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，通過一種創(chuàng)新的μ子束編組技術(shù)，為未來的μ子對撞機鋪平了道路。這一技術(shù)有望以更低的成本、更緊湊的規(guī)模實現(xiàn)高能物理實驗，助力探索新物理學(xué)現(xiàn)象。研究成果于7月17日發(fā)表在《自然·物理學(xué)》雜志上。

μ子加速器：開啟粒子物理新篇章

粒子加速器廣泛用于探測物質(zhì)的基本組成、研究化學(xué)結(jié)構(gòu)、開發(fā)醫(yī)療技術(shù)和制造高科技設(shè)備。目前主流加速器通常使用質(zhì)子、電子和離子，但相比之下，基于μ子的加速器具備顯著優(yōu)勢。μ子是一種帶負(fù)電的亞原子粒子，其質(zhì)量約為電子的200倍，壽命較短但能量密度高。μ子對撞機不僅能在小體積內(nèi)實現(xiàn)極高的有效碰撞能量，還可大幅降低實驗設(shè)施的建造成本。

傳統(tǒng)質(zhì)子加速器如大型強子對撞機（LHC）的周長達(dá)到27公里，未來計劃中的質(zhì)子加速器或需擴展至100公里。然而，μ子對撞機則可通過更緊湊的設(shè)計達(dá)到同等甚至更高的實驗?zāi)芰俊＠纾绹M米實驗室對μ子對撞機的潛力表示極大興趣，計劃引入這一技術(shù)。

關(guān)鍵技術(shù)突破：聚集與冷卻μ子

實現(xiàn)μ子對撞機的核心挑戰(zhàn)在于如何有效聚集并冷卻μ子束，使其在加速過程中形成高密度、高有序的光束。這種集中光束能夠確保與相反方向的μ子束精準(zhǔn)碰撞，從而實現(xiàn)高能實驗。

研究團(tuán)隊在英國盧瑟福·阿普爾頓實驗室（RAL）的ISIS設(shè)施中，通過“磁透鏡”和能量吸收材料的組合成功冷卻了μ子束，顯著改善了光束形狀和傳播方式。實驗表明，冷卻過程不僅使μ子束的尺寸減小，還提升了其有序性，為實現(xiàn)高效碰撞奠定了堅實基礎(chǔ)。

μ子對撞機的未來前景

與傳統(tǒng)加速器相比，μ子對撞機的建設(shè)周期短、成本低，適合在現(xiàn)有實驗設(shè)施基礎(chǔ)上進(jìn)行部署。研究負(fù)責(zé)人保羅·博格丹·朱爾吉博士表示，這一突破為國際粒子物理界帶來了全新希望，加速了μ子對撞機從概念到實際應(yīng)用的進(jìn)程。

目前，研究團(tuán)隊正與國際μ子對撞機合作組織（IMCC）合作，計劃開發(fā)更大規(guī)模的μ子冷卻技術(shù)演示系統(tǒng)，以推動μ子對撞機的早日問世。這一新型加速器不僅將促進(jìn)基本粒子和宇宙結(jié)構(gòu)的研究，還可能帶動癌癥治療、新型能源開發(fā)等多領(lǐng)域技術(shù)應(yīng)用的突破。

μ子對撞機的研發(fā)和實現(xiàn)，將為人類探索物質(zhì)的終極奧秘提供前所未有的機會。隨著技術(shù)的不斷完善和實驗規(guī)模的擴大，這項新技術(shù)有望成為未來高能物理實驗的主力工具，開啟粒子物理研究的新紀(jì)元。

參考文獻(xiàn)：

[1]The MICE Collaboration. Transverse emittance reduction in muon beams by ionization cooling. Nat. Phys. 20, 1558–1563 (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02547-4.