物理学家将基本μ子粒子驯化为精确控制的光束

物理学家将基本μ子粒子驯化为精确控制的光束

研究人员首次在严格控制的光束中加速了μ介子（电子的较重且不稳定的亲戚），使μ介子碰撞的愿景更接近现实。

位于东海的日本质子加速器研究中心 (J-PARC) 的一个团队将激光瞄准 μ 子流，使快速移动的粒子接近静止。然后，研究人员应用电场将这些“冷却”μ子加速到光速的 4% 左右。结果尚未经过同行评审，已于 10 月 15 日在预印本服务器 arXiv 上发布 1 。

这一成就是实现这一目标所需方法的“一大进步” 介子对撞机 建造。这样的对撞机可用于进行发现新物理现象所需的极其灵敏的测量。田纳西大学诺克斯维尔分校的粒子物理学家托瓦·霍姆斯说，它比其他粒子对撞机更小，建造成本也可能更低。

μ 子是一种短命的基本粒子，几乎与电子相同，但质量是电子的 200 多倍。在过去的十年中，越来越多的人转向紧凑型μ子对撞机，这种对撞机可以与巨型质子和电子对撞机所达到的能量相媲美甚至超过巨型质子和电子对撞机，例如日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室CERN的27公里长的大型强子对撞机。一台 10 公里长的 μ 子对撞机可以产生与 90 公里长的质子机产生的能量相同的粒子，因为 μ 子是基本粒子，其全部能量都投入到每次碰撞中。相反，质子碰撞发生在组成夸克之间。

然而，加速 μ 介子极其困难，因为它们在转化为电子和两种类型的电子之前仅存在约 2 微秒。 中微子 瓦解。它们还以不同的速度向不同的方向移动，这使得它们很难被驯服成狭窄的、高强度的喷射流。研究合著者、日本筑波高能加速器研究组织的粒子物理学家 Shusei Kamioka 表示，尽管研究人员之前已经加速过 μ 子，但光束“非常发散”。这使得光束难以预测，无法用于敏感测量。

为了克服这一障碍，神冈和他的同事将一束带正电的μ介子（μ介子的反物质对应物，称为反介子）射入二氧化硅气凝胶（一种通常用作隔热材料的海绵状材料）中。当带正电的μ子与气凝胶中的电子碰撞时，形成了“μ”的中性原子。研究人员向这些原子发射激光，切断它们的电子，将它们变回几乎冻结的正介子。这种冷却过程使颗粒的速度和方向变得更加均匀。

然后研究人员利用电场将这些减速的μ子加速到100千电子伏特的能量，达到光速约4%的速度。

霍尔姆斯说，尽管结果令人鼓舞，但距离μ子碰撞成为现实还有很长的路要走。她补充说，这种方法需要扩大规模，以产生更窄、强度更高的光束。

Kamioka 表示，他和他的同事正在开发将 μ 子加速到光速 94% 所需的技术，并希望在 2028 年实现这一目标。“这是我们的下一个里程碑，”他说。

神冈说，除了建造未来的对撞机之外，物理学家还可以在超出粒子物理标准模型的实验中使用高能μ子束，例如精确测量μ子的神秘磁性，这种磁性比理论预测的要强。

1. Aritome，S.等人。预印本于 https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.11367 （2024）。

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