如何建造更小卻更強大的對撞機？

現有的大型對撞機加速的粒子往往是質子和電子。事實上，相比於質子和電子對撞機，μ子對撞機可以達到更高的能量尺度，卻只需更小的設備和更低的成本。那麽，μ子對撞機能否帶我們進入更深層的粒子世界呢？

劉航 /文

“巨大的對撞機正在揭開宇宙的秘密。”1990年4月16日，《時代》雜誌的封面故事討論了巨型粒子加速器，包括德克薩斯州的超導超級對撞機，然而它最終因造價過高被迫半途而廢。

但是歐洲核子研究中心（CERN）的研究人員沒有放棄，從1998年到2008年，他們在瑞士日內瓦附近已有的正負電子對撞機隧道中建造了周長27公里的大型強子對撞機（LHC）。如今，大型強子對撞機和其他加速器已經為許多重大發現做出了貢獻，從新誇克的發現，到第三代輕子的觀測，再到希格斯玻色子的確認，粒子物理的每個重大進展都離不開加速器。

2012年，LHC的實驗中確認了希格斯玻色子的存在，標誌著粒子物理學標準模型的巨大成功。| 圖片來源：CMS/ATLAS/CERN

現有的大型對撞機帶領我們窺探了宇宙深層的美妙圖景。然而，仍然有很多未解之謎等待著我們去探索：希格斯玻色子與標準模型的預言是否一致？超出標準模型的新物理是否存在？是否存在額外維度？宇宙中物質與反物質的不對稱性要如何解釋？暗物質和暗能量之謎如何才能揭開？

科學家期望在更高能的對撞機中探索世界的本質，但這些“巨型對撞機”卻是如此昂貴，為此，科學家絞盡腦汁地試圖尋找創新方法，以減少未來對撞機的花費。其中一種有效的方法就是建造μ子對撞機。就在最近，μ子電離冷卻實驗合作組（MICE）在《自然》雜誌上報告了新的實驗結果，這使科學家距離實現μ子對撞機又近了一步。

1、μ子對撞機的優勢

在對撞機中，兩束粒子流不斷積累並加速，最終達到一定的束流強度和能量，當它們在相向運動的狀態下發生對撞——“轟！”——物質的深層結構將展現在我們眼前。傳統對撞機中被加速的粒子可以是正負電子 、質子或反質子，也可以是相對論重離子。

μ子與電子一樣，都是粒子物理學標準模型中的一種基本粒子，它們同屬於輕子，都帶有一個部門負電荷，但μ子的質量是電子的207倍。這一特性對所建造的對撞機的大小，進而對成本具有重要影響，也決定了對撞機中粒子碰撞可達到的能量量級，以及對撞機能夠做出怎樣的發現。這些正是μ子對撞機相較於傳統對撞機的優勢所在。

標準模型中的基本粒子，其中μ子與電子（e）同屬於輕子。| 圖片來源：Daniel Dominguez/CERN

對撞機的目的是使粒子加速達到更高的能量，並以盡可能大的能量彼此碰撞。然而，當粒子的軌跡在環形加速器的磁場中彎曲時，它們實際上會通過異塵餘生損失能量。相比於電子這樣的輕粒子，質子和μ子這樣的重粒子在這個過程中損失的能量要少得多。因此，目前可以達到最高能量的環形對撞機（如LHC）加速的便是質子。

然而我們知道，質子並不是基本粒子，而是由真正的基本粒子誇克組成的。當這些束縛態的誇克發生碰撞時，只有大約六分之一到十分之一的質子碰撞能量可用於產生其他粒子。相比之下，由於μ子是基本粒子，它們碰撞產生的所有能量都可用於生成新粒子。

μ子加速器作為粒子對撞機的一個用途是建造 “希格斯工廠”。希格斯工廠是一種非常理想的設備，它能夠產生大量的希格斯玻色子，並且能夠精確測定這些粒子的特性。如果基於傳統的線性加速器，利用正負電子碰撞來建造希格斯工廠，其長度需達10至20公里。而若是基於環形μ子對撞機，其周長僅需0.3公里。

除了希格斯工廠，μ子加速器還可以用於建造“中微子工廠”。如果可以將μ子存儲在長直跑道般的結構當中，μ子的衰變將產生強烈的中微子束。這種被稱為中微子工廠的設備將揭示中微子的奧秘和超出標準模型的新物理。

2、電離冷卻技術聚焦μ子束

然而要實現中微子工廠或μ子對撞機，科學家必須首先學會如何操縱μ子束。不像電子束可以如同雷射那樣匯聚成極細的束流，μ子束的產生過程更複雜，未經冷卻的μ子束更像是散彈槍發射的子彈。因此，科學家需要聚焦μ子束，這涉及到減少μ子在垂直於束流方向上位置和速度的擴散。

μ子束的擴散與溫度有關，冷卻μ子束就可以減少橫向擴散。不過，因為μ子並不穩定，極易發生衰變，它們存在時間很短，靜止壽命僅為 2.2 微秒，對於加速器中常用的四種冷卻技術——同步加速器異塵餘生冷卻、雷射冷卻、隨機冷卻和電子冷卻，如果單獨應用這四種方法的一種，在每種情況下，冷卻粒子束所需的時間都比μ子壽命長，因而不能實現μ子的迅速冷卻。

因此科學家提出了一種全新的電離冷卻技術來冷卻μ子束。用這種方法，加速器的一部分包含原子量較低的材料，當μ子穿過加速器時，材料中原子的電子會被電離，從而減少μ子位置和速度的擴散。MICE合作組的目標就是建造和測試用於μ子電離冷卻的系統，實現這種冷卻技術，並驗證用於電離冷卻系統設計的仿真工具。

在實驗中，科學家首先讓質子束撞擊標靶物體，產生包含π介子、K介子和μ子的次級粒子束。其中π介子和K介子會衰變產生更多的μ子。在這個階段，μ子束的橫向位置和速度擴散到很寬的範圍。當這些μ子束通過由氫化鋰或液態氫製成的能量吸收介質時，電離冷卻的過程會減少其橫向擴散，實現μ子束的聚焦。

μ子的產μ子的產生及電離冷卻。| 圖片來源：nature

在加速器實驗中，通常通過測量束流的質心、粒子位置的擴散或密度分布，來評價束流的品質。為了證明電離冷卻，MICE合作組采取了前所未有的方法，用對撞探測器技術測量了通過實驗裝置的每一個μ子的輸入和輸出坐標及速度。通過測量小振幅粒子數量的增加和粒子束的相空間密度的增加，科學家可以確認，他們實現了μ子的電離冷卻。

3、未來的對撞機

目前，世界各地的科研機構在制定各種長期戰略，以試圖探索高能物理的前沿。這些計劃既包括設計周長達100公里的環形對撞機，例如中國的環形正負電子/質子對撞機（CEPC/SPPC）、歐洲核子中心的未來環形對撞機（FCC-ee/FCC-hh）等，也包括設計長達30公里的直線對撞機，例如日本計劃建造的國際直線對撞機（ILC）。這些設備擬加速質子、電子和正電子等常用粒子，以盡量降低技術風險，但它們仍然需要耗費巨大的成本，並面臨許多技術挑戰。這些都將影響計劃的可行性。

歐洲核子中心計劃在現有的大型強子對撞機（LHC）旁邊，建造周長達100公里的未來環形對撞機（FCC）。LHC是質子對撞加速器，FCC則是正負電子對撞加速器。| 圖片來源：CERN

也有一些計劃會使用創新技術來設計，例如基於雷射和等離子體的加速技術。這些方法在開發低能耗的緊湊型加速器方面取得了很大的進步，但是，如果既要保持高束流品質，又要達到高能量量級，還需要進行多年的摸索。另外則有一些計劃使用了μ子束。

MICE合作組首次實現了μ子電離冷卻技術，但是，需要注意的是目前冷卻量還很小，電離冷卻技術仍然處於起步階段。要獲得能夠用於對撞的μ子束，科學家必須從μ子中吸收比這次實驗中多一萬倍的能量。科學家已經開發出了用於μ子對撞機的概念設計，但是要實現有效的μ子冷卻系統和μ子對撞機，還需要做更多的工作。

綜合考慮技術和花費，以上種種提議中，到底哪種方法在未來的高能前沿實驗中最可行？現在我們還很難說。但是，如果物理學家能夠冷卻和控制μ子束，那麽實現μ子環形對撞機將指日可待。

μ子優於質子，它們能提供清晰的碰撞；μ子也優於電子，當粒子軌跡被加速器磁鐵偏轉時，它們損失的能量更小。μ子對撞機可以在體積小得多的情況下，實現與電子或質子對撞機相比擬甚至更高的能量量級。MICE合作組的成果是通往現實的μ子冷卻系統的里程碑，這一進展或許會帶領我們實現中微子工廠和μ子對撞機。

參考資料

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-020-00212-3#ref-CR2

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-020-1958-9#Sec5

[3]https://www.scientificamerican.com/article/mice-cold-collaboration-demonstrates-muon-ionization-cooling/

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider

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