科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)繆子電離冷卻
向建造繆子對(duì)撞機(jī)邁出關(guān)鍵一步

科技日?qǐng)?bào)北京2月6日電 （記者劉霞）致力于建造下一代粒子對(duì)撞機(jī)的科學(xué)家迎來好消息！據(jù)美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站5日?qǐng)?bào)道，科學(xué)家首次觀察到繆子（muon）電離冷卻，向成功建造繆子對(duì)撞機(jī)邁出關(guān)鍵一步。即使與升級(jí)后的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）相比，未來繆子對(duì)撞機(jī)帶來新發(fā)現(xiàn)的能力也有望高出10倍。研究發(fā)表于5日出版的《自然》雜志上。

自上世紀(jì)30年代以來，科學(xué)家利用加速器制造出了質(zhì)子、電子和離子束，這些粒子束的能量不斷增強(qiáng)，幾乎應(yīng)用于各科學(xué)領(lǐng)域。

但“國際繆子電離冷卻實(shí)驗(yàn)”（MICE）合作組希望制造出一種全新的繆子加速器，繼承LHC的“宏愿”，產(chǎn)生能量高10倍的新粒子。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)面臨一個(gè)難題：能否充分“擠壓”繆子束以達(dá)到研究新物理所需的標(biāo)準(zhǔn)。MICE合作組的最新實(shí)驗(yàn)清楚表明，電離冷卻方法可行，繆子也能被注入很小體積內(nèi)。

繆子質(zhì)量為電子的200倍，壽命相對(duì)較短。利用強(qiáng)流質(zhì)子射擊高密度靶標(biāo)可大量產(chǎn)生繆子。然而，這些繆子主要通過質(zhì)子打靶得到的次級(jí)粒子衰變產(chǎn)生，運(yùn)動(dòng)方向四面八方，就像一團(tuán)彌散的云團(tuán)。科學(xué)家要先將此過程的其他碎片粒子分離出去，然后用一系列磁透鏡引導(dǎo)繆子團(tuán)。當(dāng)兩個(gè)這樣的彌散束流交叉時(shí)，發(fā)生碰撞的概率很小。

為減少繆子團(tuán)彌散，科學(xué)家采用了束流冷卻過程，繆子的靜止壽命約為2.2微秒，以前的束流冷卻方法要花費(fèi)數(shù)小時(shí)才能達(dá)到效果。但MICE合作組另辟蹊徑，實(shí)現(xiàn)了冷卻目標(biāo)：他們讓繆子穿過用氫化鋰或液態(tài)氫等材料特殊設(shè)計(jì)的能量吸收器，達(dá)到冷卻效果，整個(gè)過程一直用強(qiáng)大的超導(dǎo)磁透鏡聚焦繆子束。

研究人員稱，電離冷卻得到的繆子束流可應(yīng)用于多個(gè)方面。比如，將繆子加速到高能狀態(tài)，然后注入粒子存儲(chǔ)環(huán)內(nèi)，并與反向運(yùn)動(dòng)的反繆子束發(fā)生碰撞；另外，科學(xué)家們也可以降低冷繆子的速度，研究其衰變產(chǎn)物；還可以將單束繆子存儲(chǔ)在環(huán)形跑道中并使其衰變，產(chǎn)生獨(dú)特而強(qiáng)大的中微子束，為未來的中微子實(shí)驗(yàn)提供新發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。

繆子還可用于研究材料的原子結(jié)構(gòu)、用作核聚變催化劑、透視X射線無法穿透的致密材料等。MICE團(tuán)隊(duì)希望他們的新冷卻技術(shù)也能在這些領(lǐng)域“大顯身手”。

MICE實(shí)驗(yàn)由英國帝國理工學(xué)院肯尼·朗教授領(lǐng)導(dǎo)，來自美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室等全球多家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家參與其中。