利用气凝胶，科学家首次成功对μ子进行“冷却”和加速

■ 信息来源：J-PARC、气凝胶编译

5月23日，日本大强度质子加速器（J-PARC）研究中心发布消息称其成功实现了μ子的“冷却”和加速，属全球首次！

μ子像电子一样，是一种带一个单位负电荷的基本粒子，于1936年从宇宙射线中首次被发现。μ子具有极强的穿透能力，可用于大型目标物内部的无接触和无损成像。起源于宇宙射线的自然μ子已被用于穿透大型和/或厚物体的内部，如金字塔。目前使用加速器可以产生更高强度的μ子，可用于各种研究中，具有多种用途。

在加速器中产生μ子分为三个步骤。首先，质子被加速到接近光速。当加速的质子撞击石墨等材料时，它们会产生称为π子的粒子，这些粒子会衰变形成μ子。

在日本茨城县东海村的高强度质子加速器J-PARC每秒可产生约1亿μ子。然而，光束中每个μ子的方向和速度是完全不同的。在一些实验中可以按μ子的原样使用，但不适合用于μ子g-2实验和EDM实验等的超精密测量。

μ子有两种类型，即带有负电荷和正电荷，它们具有粒子/反粒子关系。带正电荷的μ子被称为正μ子，它可以被减速，直到几乎停止以调整其方向和速度（冷却）。在它们接近停止后，它们被电场加速。在这个过程的最后，它们变得具有高度的方向性。

图1 冷却和加速正μ子束

而μ子很难被加速，因为它们的方向或速度不同，用于加速的加速腔就像一个狭窄的管子，如果方向不同，就不可能有效地将μ子放入管中。此外，如果速度分布广泛，则加速效率将很差。

在J-PARC中，用质子加速器产生的速度约为光速30%的正μ子被射入一种称为二氧化硅气凝胶的材料中，正μ子与二氧化硅气凝胶中的电子结合，形成称为μ子素的中性原子。通过用激光照射μ子素来剥离电子，我们获得了正μ子，这些正μ子已经被减慢（冷却）到几乎停止的速度，大约是光速的0.002%。之后，施加射频电场以加速正μ子。由于正μ介子几乎是静止的，它加速得越多，方向性就越强，从而产生了可用于各种应用的方向性更强的μ子束。

图2 J-PARC材料与生命科学实验设施（MLF）μ子冷却和加速实验装置

由KEK、冈山大学、名古屋大学、九州大学、茨城大学、日本原子能机构和新泻大学组成的联合研究小组在J-PARC MLF的μ子实验设施进行了实验。通过将μ子冷却技术和射频加速技术相结合，该研究小组在世界上首次成功证明了正μ子的加速速度约为光速的4%。

μ子的寿命只有大约2微秒（百万分之二秒），如果不快速加速，它们就会衰变。此外，由于它比电子重200倍，需要分阶段加速，研究小组计划继续开发加速技术的剩余部分，并最终将其加速到94%的光速。

随着μ子加速技术的最初部分的展示，世界上第一个μ子加速器就在眼前。2024年是μ子加速的第一年。使用加速μ子的新研究机会将随之而来。

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