如何建造更小却更强大的对撞机？

Original 刘航返朴 2020-12-01

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现有的大型对撞机加速的粒子往往是质子和电子。事实上，相比于质子和电子对撞机，μ子对撞机可以达到更高的能量尺度，却只需更小的设备和更低的成本。那么，μ子对撞机能否带我们进入更深层的粒子世界呢？

刘航 /文

“巨大的对撞机正在揭开宇宙的秘密。”1990年4月16日，《时代》杂志的封面故事讨论了巨型粒子加速器，包括德克萨斯州的超导超级对撞机，然而它最终因造价过高被迫半途而废。

但是欧洲核子研究中心（CERN）的研究人员没有放弃，从1998年到2008年，他们在瑞士日内瓦附近已有的正负电子对撞机隧道中建造了周长27公里的大型强子对撞机（LHC）。如今，大型强子对撞机和其他加速器已经为许多重大发现做出了贡献，从新夸克的发现，到第三代轻子的观测，再到希格斯玻色子的确认，粒子物理的每个重大进展都离不开加速器。

2012年，LHC的实验中确认了希格斯玻色子的存在，标志着粒子物理学标准模型的巨大成功。| 图片来源：CMS/ATLAS/CERN

现有的大型对撞机带领我们窥探了宇宙深层的美妙图景。然而，仍然有很多未解之谜等待着我们去探索：希格斯玻色子与标准模型的预言是否一致？超出标准模型的新物理是否存在？是否存在额外维度？宇宙中物质与反物质的不对称性要如何解释？暗物质和暗能量之谜如何才能揭开？

科学家期望在更高能的对撞机中探索世界的本质，但这些“巨型对撞机”却是如此昂贵，为此，科学家绞尽脑汁地试图寻找创新方法，以减少未来对撞机的花费。其中一种有效的方法就是建造μ子对撞机。就在最近，μ子电离冷却实验合作组（MICE）在《自然》杂志上报告了新的实验结果，这使科学家距离实现μ子对撞机又近了一步。

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μ子对撞机的优势

在对撞机中，两束粒子流不断积累并加速，最终达到一定的束流强度和能量，当它们在相向运动的状态下发生对撞——“轰！”——物质的深层结构将展现在我们眼前。传统对撞机中被加速的粒子可以是正负电子、质子或反质子，也可以是相对论重离子。

μ子与电子一样，都是粒子物理学标准模型中的一种基本粒子，它们同属于轻子，都带有一个单位负电荷，但μ子的质量是电子的207倍。这一特性对所建造的对撞机的大小，进而对成本具有重要影响，也决定了对撞机中粒子碰撞可达到的能量量级，以及对撞机能够做出怎样的发现。这些正是μ子对撞机相较于传统对撞机的优势所在。

标准模型中的基本粒子，其中μ子与电子（e）同属于轻子。| 图片来源：Daniel Dominguez/CERN

对撞机的目的是使粒子加速达到更高的能量，并以尽可能大的能量彼此碰撞。然而，当粒子的轨迹在环形加速器的磁场中弯曲时，它们实际上会通过辐射损失能量。相比于电子这样的轻粒子，质子和μ子这样的重粒子在这个过程中损失的能量要少得多。因此，目前可以达到最高能量的环形对撞机（如LHC）加速的便是质子。

然而我们知道，质子并不是基本粒子，而是由真正的基本粒子夸克组成的。当这些束缚态的夸克发生碰撞时，只有大约六分之一到十分之一的质子碰撞能量可用于产生其他粒子。相比之下，由于μ子是基本粒子，它们碰撞产生的所有能量都可用于生成新粒子。

μ子加速器作为粒子对撞机的一个用途是建造 “希格斯工厂”。希格斯工厂是一种非常理想的设备，它能够产生大量的希格斯玻色子，并且能够精确测定这些粒子的特性。如果基于传统的线性加速器，利用正负电子碰撞来建造希格斯工厂，其长度需达10至20公里。而若是基于环形μ子对撞机，其周长仅需0.3公里。

除了希格斯工厂，μ子加速器还可以用于建造“中微子工厂”。如果可以将μ子存储在长直跑道般的结构当中，μ子的衰变将产生强烈的中微子束。这种被称为中微子工厂的设备将揭示中微子的奥秘和超出标准模型的新物理。

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电离冷却技术聚焦μ子束

然而要实现中微子工厂或μ子对撞机，科学家必须首先学会如何操纵μ子束。不像电子束可以如同激光那样汇聚成极细的束流，μ子束的产生过程更复杂，未经冷却的μ子束更像是散弹枪发射的子弹。因此，科学家需要聚焦μ子束，这涉及到减少μ子在垂直于束流方向上位置和速度的扩散。

μ子束的扩散与温度有关，冷却μ子束就可以减少横向扩散。不过，因为μ子并不稳定，极易发生衰变，它们存在时间很短，静止寿命仅为 2.2 微秒，对于加速器中常用的四种冷却技术——同步加速器辐射冷却、激光冷却、随机冷却和电子冷却，如果单独应用这四种方法的一种，在每种情况下，冷却粒子束所需的时间都比μ子寿命长，因而不能实现μ子的迅速冷却。

因此科学家提出了一种全新的电离冷却技术来冷却μ子束。用这种方法，加速器的一部分包含原子量较低的材料，当μ子穿过加速器时，材料中原子的电子会被电离，从而减少μ子位置和速度的扩散。MICE合作组的目标就是建造和测试用于μ子电离冷却的系统，实现这种冷却技术，并验证用于电离冷却系统设计的仿真工具。

在实验中，科学家首先让质子束撞击标靶物体，产生包含π介子、K介子和μ子的次级粒子束。其中π介子和K介子会衰变产生更多的μ子。在这个阶段，μ子束的横向位置和速度扩散到很宽的范围。当这些μ子束通过由氢化锂或液态氢制成的能量吸收介质时，电离冷却的过程会减少其横向扩散，实现μ子束的聚焦。

μ子的产生及电离冷却。| 图片来源：nature

在加速器实验中，通常通过测量束流的质心、粒子位置的扩散或密度分布，来评价束流的品质。为了证明电离冷却，MICE合作组采取了前所未有的方法，用对撞探测器技术测量了通过实验装置的每一个μ子的输入和输出坐标及速度。通过测量小振幅粒子数量的增加和粒子束的相空间密度的增加，科学家可以确认，他们实现了μ子的电离冷却。

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未来的对撞机

目前，世界各地的科研机构在制定各种长期战略，以试图探索高能物理的前沿。这些计划既包括设计周长达100公里的环形对撞机，例如中国的环形正负电子/质子对撞机（CEPC/SPPC）、欧洲核子中心的未来环形对撞机（FCC-ee/FCC-hh）等，也包括设计长达30公里的直线对撞机，例如日本计划建造的国际直线对撞机（ILC）。这些设备拟加速质子、电子和正电子等常用粒子，以尽量降低技术风险，但它们仍然需要耗费巨大的成本，并面临许多技术挑战。这些都将影响计划的可行性。

欧洲核子中心计划在现有的大型强子对撞机（LHC）旁边，建造周长达100公里的未来环形对撞机（FCC）。LHC是质子对撞加速器，FCC则是正负电子/质子对撞加速器。| 图片来源：CERN

也有一些计划会使用创新技术来设计，例如基于激光和等离子体的加速技术。这些方法在开发低能耗的紧凑型加速器方面取得了很大的进步，但是，如果既要保持高束流品质，又要达到高能量量级，还需要进行多年的摸索。另外则有一些计划使用了μ子束。

MICE合作组首次实现了μ子电离冷却技术，但是，需要注意的是目前冷却量还很小，电离冷却技术仍然处于起步阶段。要获得能够用于对撞的μ子束，科学家必须从μ子中吸收比这次实验中多一万倍的能量。科学家已经开发出了用于μ子对撞机的概念设计，但是要实现有效的μ子冷却系统和μ子对撞机，还需要做更多的工作。

综合考虑技术和花费，以上种种提议中，到底哪种方法在未来的高能前沿实验中最可行？现在我们还很难说。但是，如果物理学家能够冷却和控制μ子束，那么实现μ子环形对撞机将指日可待。

μ子优于质子，它们能提供清晰的碰撞；μ子也优于电子，当粒子轨迹被加速器磁铁偏转时，它们损失的能量更小。μ子对撞机可以在体积小得多的情况下，实现与电子或质子对撞机相比拟甚至更高的能量量级。MICE合作组的成果是通往现实的μ子冷却系统的里程碑，这一进展或许会带领我们实现中微子工厂和μ子对撞机。

参考资料

[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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