InVisor科研新闻 | 人类为什么需要μ子对撞机？

自2013年欧洲核子研究组织（CERN）于日内瓦建造的“大型强子对撞机”（LHC）施行的对撞实验中成功地发现了“上帝粒子”希格斯玻色子以来，InVisor芳老师我好久都没有听到过如此令人振奋的消息了！

要知道哦～建造一台对撞机无论是资金成本还是时间成本都是巨大的，CERN光是建个LHC就耗费了10年时间。不过这10年换来的成果是非常值得滴，LHC帮助我们证明了希格斯场（Higgs Field）的存在，真空就不再是以前认为的“空空如也”，基本粒子的质量来源也似乎变得清晰了。

但传统的对撞机已经无法满足物理学家的需求，因为这些对撞机所对撞的粒子大多为质子和电子，电子在环形磁场中发生轨迹弯曲时，其自身能量会随着辐射的形式损失掉，想达到目标的能量值耗费的电力实在太大；而质子并不是基本粒子，在实验过程中对撞产生的能量可利用率仅为六分之一甚至十分之一，可谓非常不理想；“巨型”对撞机又非常伤财，科学家们只能另辟蹊径，发明一种又小性能又好的对撞机。

是的，μ子对撞机，上面的问题，它都能解决！！！！（据计算μ子环形对撞机只需要300米的周长就可以达到和20公里周长的传统对撞机一样的实验效果）。而这个故事，这还得从μ子的自身性质讲起….μ子（Muon）首先是一种基本粒子，跟夸克身份一样（后者可以组成其他粒子），不过它跟夸克并不是同一家族的，它是属于轻子（Lepton）家族的。这轻子家族有三代人，第一代人就是咱们常说的电子，以及它的老伴电子微中子；第二代就是μ子了，它也有对应的老伴μ子微中子；第三代名叫τ子（Tauon）和τ子微中子。这些轻子不会参与强交互作用（Strong interaction）。虽然μ子叫做轻子，可它的质量比电子重多了，可达电子质量的207倍，但却比质子轻。最早μ子是由Carl D. Anderson和Seth Neddermeyer等人于1936年发现的，他们在观察宇宙射线的时候发现了这种粒子，随后现在多用这种来源的μ子来测量火山内部；除此之外，μ子还可以通过加速器产生，这也是μ子加速器的核心部分。

科学家们怎样才能在加速器重产生μ子呢？首先他们会把质子加速，然后轰击目标物体（Target），这样就可以产生所谓的次级粒子（Secondary Particles），包括K介子，π介子以及主角μ子。这K介子和π介子非常不安分，他们会快速衰变成更多的μ子，这样我们就可以得到一大团μ子云了。这μ子云虽然很多，但由于是质子碰撞后的产物，动量不均匀，会“四处乱窜”。没有形成足够强的μ子束的话，想进入下一步的实验无非是痴人说梦，所以物理学家们得想办法把这些散乱的μ子给汇聚起来。嘿，没想到这还成了个难点。科学家们发现，μ子束在垂直于束流方向上的扩散于温度密切相关，只要将μ子冷却下来就可以大大地减少μ子的“不安分”状态，让它们乖乖地排成纵队。科学家们倒不是没有冷却的方法，在对撞实验中常用的就有四种冷却方法：同步加速器辐射冷却、激光冷却、随机冷却和电子冷却。不过一个一个测验，发现无论用哪种方法，要想快速冷却μ子根本办不到，因为μ子的静止寿命只有2.2微秒，你还没等它变凉，它就真的凉凉了……看来，得想新办法了。μ子电离冷却实验合作组（MICE）就在最近成功地解决了这一问题！更重要的是，他们是发明了一种新的办法，跟他们的名字相符：μ子电离冷却法。这个方法要求在加速器中加入一个部分，这一部分含有吸收能量的材料。当μ子穿过材料时，其中原子的电子会吸收μ子携带的部分能量而迅速电离，而μ子由于被吸走了一些能量而变乖，横向扩散会减小，μ子束就这样被聚集了起来啦～

科学家通过对束流质心的测量、μ子扩散程度以及密度分布来评价束流品质，筛选出适合的吸能材料，最终发现用氢化锂或液态氢材料吸收能量μ子束的品质较好。这一成果也是发表在《自然》杂志上，离制造μ子对撞机又近了一步！未来μ子对撞机不但会帮助我们建造“希格斯工厂”（生产大量的希格斯玻色子用于研究希格斯场的相关理论），还会帮助建造“中微子工厂”，揭开中微子的奥秘鸭！

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