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一个新颖的对撞机计划

物理学家希望能建造世界上第一台缪子离子对撞机。利用加速器将缪子加速至很高的能量，来粉碎质子或者原子核，开辟一个新的前沿领域以解决核物理和粒子物理中的许多基本科学问题，打开新物理的大门。今年3月，arxiv网站上出现了一篇题为“TeV能级缪子离子对撞机的潜力”的文章，提议在TeV(万亿电子伏特)尺度上开发一个新颖的缪子质子和缪子离子对撞机装置。该装置能够在更大的能区内进行高精度深度非弹性散射测量，并为核子和粒子物理学方面提供丰富的研究主题。作者们建议在美国布鲁克海文国家实验室(BNL)建造新型缪子离子对撞机(MuIC)，作为升级以接替计划于2030年代初启动的电子离子对撞机(EIC)。MuIC的质心系能量将把EIC的深度非弹性散射物理的运动学覆盖范围提高一个数量级以上, 该覆盖范围可与欧洲核子中心(CERN)提议的大型强子电子对撞机 (LHeC) 相媲美。

图 美国电子离子对撞机(EIC)示意图 图源| Brookhaven National Laboratory

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聚焦的重大科学问题

更高的精度，更高的能量，更紧凑的装置，这个未来的对撞机计划听起来非常激动人心。然而，加速器的建设周期长、花费大。人们首先要关心的是：这样的装置能解决什么样的重大科学问题?“一花一世界，一叶一菩提。”虽然宇宙物质的组成单元——质子极其微小，但其内部结构却并不简单。在各种高能加速器“显微镜”的帮助下，科学家们已经“看见”了质子内部的夸克和胶子成分。宇宙可见物质的质量有99%以上来自核子(质子和中子的统称)。核子有三个最基本的属性：质量、自旋和力学稳定性。为了搞清楚这些属性，科学家们借助强大的工具——如同“超级多维电子显微镜”的对撞机，来实现对核子的“断层扫描成像”，深化人们对核子结构的微观认识，从而更好地理解宇宙可见物质的质量起源问题。缪子离子对撞机的科学目标非常明确——利用缪子作为探针，来探测质子内部的胶子分布和性质，测量质子的质量半径，揭示胶子产生质量的机制，有望解开质子质量和结构的谜团。胶子和质子质量起源紧密相关。中国科学院近代物理研究所团队于2021年从实验数据中提取出质子的质量分布和“质量半径”值。2023年，美国科学家利用新的实验数据，对质子“质量半径”进行测量，结果发表在《自然》杂志上。质子质量半径的实验结果，初步揭示了胶子和夸克在质子内部的分布，从而有助于理解质子的结构。

图 新研究得出的质子内部结构和质量来源示意图。质量半径比电荷半径要小，而标量胶子云则延伸超出了电荷半径的范围。图源| Argonne National Laboratory

胶子不仅和质量紧密相关，还有一个非常奇特的形态——色玻璃凝聚(CGC)。根据爱因斯坦的狭义相对论，当原子核以近光速(相对论)运动时，它会在运动方向上像煎饼一样扁平。此外，加速核的高能量可能会导致它产生大量胶子，当胶子重组和分裂达到动态平衡时，胶子的密度饱和，这种饱和胶子物质的状态被称为色玻璃凝聚态。色玻璃凝聚被认为是一种普遍的物质形式，可以描述所有高能、强相互作用粒子的特性。目前，色玻璃凝聚是否存在仍然是一个难以捉摸的谜。美国正在筹建的电子离子对撞机，就将色玻璃凝聚现象作为主要探究课题之一。科学家们认为，想要充分理解这些新的观测结果，以及发现其所暗示的新物理学，还需要更高精度的实验。缪子离子对撞机为研究色玻璃凝聚现象提供了一个优异的平台。

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缪子离子对撞机的优势

在近百年的发展中，加速器技术不断更新迭代，以适应物理学家们探索微观世界的需要。随着对撞能量的要求越来越高，加速器的规模也日趋庞大。能否建造一种体积小巧同时性能优异的对撞机呢?缪子离子对撞机或许是一个很好的选择。传统的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，其自身大部分能量会以辐射的形式损失掉。如要达到粒子加速的目标能量值，所耗费的电力实在太大。以质子加速举例，加速器系统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。

图 1936年，一种新粒子——缪子被发现。缪子的质量大约是电子的207倍，寿命大约是2.2微秒。图| 寇维

缪子作为一种基本粒子，没有内部结构，其质量大约是电子的207倍。如果用缪子代替电子，那么缪子发出的同步辐射少了约 10 亿倍!因为在同等空间范围的条件下，缪子同步辐射损失的能量更少，缪子可以被加速到比电子更高的能量。缪子与质子碰撞，相对于质子-质子碰撞有很大的优势。质子-质子碰撞实际上是质子内部的夸克或胶子之间的碰撞，这些夸克或胶子只携带质子总能量的一部分。而在缪子-质子对撞过程中，每次碰撞都涉及粒子的全部能量，因此能量损失更少。据科研人员粗略估计：缪子离子对撞机比同样尺寸的电子离子对撞机的质心系能量大约可以提高一个量级!因此，相对于质子-质子对撞机和电子离子对撞机，缪子离子对撞机在能量上具有明显的优势。

图 未来缪子对撞机和其他轻子-强子对撞机的比较 图源| arxiv: 2203.06258

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能实现吗?

实验室里如何产生缪子束流呢?首先，把质子加速，然后轰击高密度靶，这样就可以产生次级粒子(包括K介子和π介子)，这些次级粒子会快速衰变为缪子等更轻的粒子。然后，科学家将冷却了的缪子束团快速地加速到高能量，并和质子或者离子对撞——这就是缪子离子对撞机的基本工作原理。

图 质子加速后轰击固定靶，产生次级粒子π介子，π介子会快速衰变为缪子。图源| 报告：Toward a Muon Source in HIAF project (MIP2023)

缪子离子对撞机可能建成吗?为了使缪子离子对撞机成为下一代对撞机的真正竞争者，科学家们必须证明该装置可以达到很高的亮度(单位时间单位面积内的事例数)。为实现这一目标，粒子必须被聚集或冷却(速度减小)。对于缪子离子对撞机，成功冷却是科学家面临的最大工程挑战。缪子由通过质子打靶得到的次级粒子衰变产生，运动朝向四面八方，就像一团弥散的云团。科学家要先将此过程的其他碎片粒子分离出去，然后用一系列磁透镜引导缪子团。为减少缪子团弥散，可采用束流冷却方法聚焦缪子束。可是，缪子并不稳定，其静止寿命约为2.2微秒，传统的束流冷却方法要花费数小时才能达到效果。幸运的是，2020年，英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的国际缪子电离冷却实验(Muon Ionization Cooling Experiment，MICE)合作组首次成功冷却了缪子束!他们采用了一种全新的电离冷却技术。用这种方法，当缪子穿过加速器时，材料中一部分原子量较低的原子中的电子会被电离，从而减少缪子团的扩散。这项成果被认为是通往现实的缪子冷却系统的里程碑，是建造未来缪子离子对撞机的关键一步。

图 位于英国的国际缪子电离冷却实验(MICE) 图源| cerncourier.com

目前，我国的缪子研究条件也逐渐开始具备。我国现在已建成了散裂中子源(CSNS)，并正在惠州建设“强流重离子加速器装置(HIAF)”(脉冲型)、“加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)”(连续型)。这三大装置都能提供高流强的质子或离子束流，国内开始有条件产生缪子束流。

图 正在建设的惠州大型加速器集群(设计效果图)图源| 近代物理所

这里，我们对惠州大型加速器集群做一个估算。如果我们把缪子能量加速到1TeV,离子束流能量40GeV，那么缪子离子撞机的质心系能量等于400GeV, 将是研究胶子的理想能区。如果未来进一步升级，质子将可以被放大到一百万倍以上。同时具备高能量和高亮度的缪子离子对撞机，将使科学家们拥有真正的“超级显微镜”，有望解开胶子之谜，从而理解可见物质世界的结构和质量起源之谜。除了研究胶子，缪子离子对撞机还可用于研究其他基本粒子，例如希格斯玻色子，并寻找新粒子。建设缪子(束)实验装置，同时可考虑中期目标，如缪子工厂和中微子工厂等，开展相关精确实验方面的研究和发展缪子慢化等技术，并应用到凝聚态物理和材料科学等领域。在研制缪子离子对撞机过程中，研发更好的缪子源，缪子还可在核聚变中扮演催化的角色。

图 缪子物理内容很丰富，包括本文的主角缪子离子对撞机。

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展望

核子结构的研究和相关的加速器探测器技术是高能核物理界竞争非常激烈的研究领域，属于国际科学研究主流方向的前沿性研究。缪子离子对撞机作为新一代研究核子结构的超级显微镜，将揭示核子内部的胶子结构和性质，促进我们对色玻璃凝聚现象的理解，最终解开宇宙可见物质质量起源之谜。依托我国大科学装置及时建造缪子离子对撞机，是实现跨越式发展的一个历史机会，将有望推动我国的缪子物理和核子结构研究快速迈进世界前列。