科学家首次实现缪子电离冷却
2020-02-07
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致力于建造下一代粒子对撞机的科学家迎来好消息！据美国费米实验室网站5日报道，科学家首次观察到缪子（muon）电离冷却，向成功建造缪子对撞机迈出关键一步。即使与升级后的大型强子对撞机（LHC）相比，未来缪子对撞机带来新发现的能力也有望高出10倍。研究发表于5日出版的《自然》杂志上。
自上世纪30年代以来，科学家利用加速器制造出了质子、电子和离子束，这些粒子束的能量不断增强，几乎应用于各科学领域。
但“国际缪子电离冷却实验”（MICE）合作组希望制造出一种全新的缪子加速器，继承LHC的“宏愿”，产生能量高10倍的新粒子。实现这一目标面临一个难题：能否充分“挤压”缪子束以达到研究新物理所需的标准。MICE合作组的最新实验清楚表明，电离冷却方法可行，缪子也能被注入很小体积内。
缪子质量为电子的200倍，寿命相对较短。利用强流质子射击高密度靶标可大量产生缪子。然而，这些缪子主要通过质子打靶得到的次级粒子衰变产生，运动方向四面八方，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。当两个这样的弥散束流交叉时，发生碰撞的概率很小。
为减少缪子团弥散，科学家采用了束流冷却过程，缪子的静止寿命约为2.2微秒，以前的束流冷却方法要花费数小时才能达到效果。但MICE合作组另辟蹊径，实现了冷却目标：他们让缪子穿过用氢化锂或液态氢等材料特殊设计的能量吸收器，达到冷却效果，整个过程一直用强大的超导磁透镜聚焦缪子束。
研究人员称，电离冷却得到的缪子束流可应用于多个方面。比如，将缪子加速到高能状态，然后注入粒子存储环内，并与反向运动的反缪子束发生碰撞；另外，科学家们也可以降低冷缪子的速度，研究其衰变产物；还可以将单束缪子存储在环形跑道中并使其衰变，产生独特而强大的中微子束，为未来的中微子实验提供新发现的机会。
缪子还可用于研究材料的原子结构、用作核聚变催化剂、透视X射线无法穿透的致密材料等。MICE团队希望他们的新冷却技术也能在这些领域“大显身手”。
MICE实验由英国帝国理工学院肯尼·朗教授领导，来自美国费米国家实验室等全球多家实验室的科学家参与其中。
作者：刘霞
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