高能物理研究迎来新机遇,μ子对撞机技术迈向新突破

英国伦敦帝国理工学院领衔的国际研究团队在粒子物理领域取得突破性进展，通过一种创新的μ子束编组技术，为未来的μ子对撞机铺平了道路。这一技术有望以更低的成本、更紧凑的规模实现高能物理实验，助力探索新物理学现象。研究成果于7月17日发表在《自然·物理学》杂志上。

μ子加速器：开启粒子物理新篇章

粒子加速器广泛用于探测物质的基本组成、研究化学结构、开发医疗技术和制造高科技设备。目前主流加速器通常使用质子、电子和离子，但相比之下，基于μ子的加速器具备显著优势。μ子是一种带负电的亚原子粒子，其质量约为电子的200倍，寿命较短但能量密度高。μ子对撞机不仅能在小体积内实现极高的有效碰撞能量，还可大幅降低实验设施的建造成本。

传统质子加速器如大型强子对撞机（LHC）的周长达到27公里，未来计划中的质子加速器或需扩展至100公里。然而，μ子对撞机则可通过更紧凑的设计达到同等甚至更高的实验能量。例如，美国费米实验室对μ子对撞机的潜力表示极大兴趣，计划引入这一技术。

关键技术突破：聚集与冷却μ子

实现μ子对撞机的核心挑战在于如何有效聚集并冷却μ子束，使其在加速过程中形成高密度、高有序的光束。这种集中光束能够确保与相反方向的μ子束精准碰撞，从而实现高能实验。

研究团队在英国卢瑟福·阿普尔顿实验室（RAL）的ISIS设施中，通过“磁透镜”和能量吸收材料的组合成功冷却了μ子束，显著改善了光束形状和传播方式。实验表明，冷却过程不仅使μ子束的尺寸减小，还提升了其有序性，为实现高效碰撞奠定了坚实基础。

μ子对撞机的未来前景

与传统加速器相比，μ子对撞机的建设周期短、成本低，适合在现有实验设施基础上进行部署。研究负责人保罗·博格丹·朱尔吉博士表示，这一突破为国际粒子物理界带来了全新希望，加速了μ子对撞机从概念到实际应用的进程。

目前，研究团队正与国际μ子对撞机合作组织（IMCC）合作，计划开发更大规模的μ子冷却技术演示系统，以推动μ子对撞机的早日问世。这一新型加速器不仅将促进基本粒子和宇宙结构的研究，还可能带动癌症治疗、新型能源开发等多领域技术应用的突破。

μ子对撞机的研发和实现，将为人类探索物质的终极奥秘提供前所未有的机会。随着技术的不断完善和实验规模的扩大，这项新技术有望成为未来高能物理实验的主力工具，开启粒子物理研究的新纪元。

参考文献：

[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.