高能μ子束的辉煌未来

在大型强子对撞机（LHC）之后，下一个高能粒子加速器会是什么？虽然一个更大的质子-质子对撞机，如欧洲核子研究组织（CERN）正在研究的未来环形对撞机（FCC），或线性电子-正电子对撞机是两种可能性，但高能μ子对撞机可能是一个吸引人的选择，用于在LHC当前无法触及的能量下理解物质的基本构成。

质子是复合粒子，因此产生新粒子所需的相互作用发生在质子组分之间。因此，与μ子对撞机相比，在质子对撞机中探测新粒子需要大约七倍大的等效能量，这使得μ子对撞机在相同能量下更为有效。

此外，μ子的质量是电子的200倍，因此它们可以在圆形轨道上加速到高能量，因此对撞机设施可以占用更小的空间，从而比FCC或线性对撞机选项更可持续。

μ子对撞机的主要技术挑战之一是生产高亮度的μ子束，这对于增加两个μ子束碰撞时的μ子相互作用数量至关重要。

在2024年7月17日发表在《自然·物理》杂志上的一篇论文中，国际μ子电离冷却实验（MICE）合作组的研究人员表明，μ子束在强磁场内穿过低密度吸收体时，可以通过“电离冷却”机制减小其横向尺寸。

在这篇论文中，μ子的相空间体积的减小（称为“发射度减小”）是首次被测量的。μ子由其他亚原子粒子（称为π介子）衰变产生，通常占据很大体积。

这一发现表明，你可以将足够多的μ子导入到足够小的体积中，以便能够加速μ子并产生高亮度的μ子束。在μ子对撞机中，在将μ子注入到环形加速器之前，需要使用比MICE实现的更强的磁场的多个冷却单元，以及高梯度射频谐振腔来恢复纵向束动量。这篇论文为在μ子对撞机上可靠地设计高亮度束奠定了基础。

这项研究是在英国哈维尔校园卢瑟福·阿普尔顿实验室的科学技术设施委员会（STFC）ISIS中子和μ子束设施上的μ子束线上进行的。

进行这项研究的国际μ子电离冷却实验（MICE）合作组由来自世界各地的许多科学家组成，包括由保罗·索勒教授领导的格拉斯哥大学团队。

合作组开发了由氢化锂（锂和氢的化合物）和冷却至约零下250摄氏度的液态氢制成的吸收单元，这些单元被极薄的铝窗包裹。束流被强大的超导磁透镜紧密聚焦，并使用非常精确的跟踪设备在磁场内分析其特性，以及使用精度低于100皮秒（十亿分之一秒的十分之一）的时间传感器。

格拉斯哥团队为实验的各个方面做出了贡献，包括硬件、软件和对物理数据的分析。

作为该项目的英国首席研究员，保罗·索勒教授表示：“MICE合作组对横向发射度减小的测量使得高能μ子对撞机成为探索大型强子对撞机之外亚原子物理的现实可能性。我们非常感谢英国科学技术设施委员会（STFC）以及其他国际资助机构的支持，也感谢ISIS中子和μ子源设施的优秀员工为我们提供了这一设施。”