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一個新穎的對撞機計劃

物理學家希望能建造世界上第一臺繆子離子對撞機。利用加速器將繆子加速至很高的能量，來粉碎質子或者原子核，開辟一個新的前沿領域以解決核物理和粒子物理中的許多基本科學問題，打開新物理的大門。今年3月，arxiv網站上出現了一篇題為“TeV能級繆子離子對撞機的潛力”的文章，提議在TeV(萬億電子伏特)尺度上開發一個新穎的繆子質子和繆子離子對撞機裝置。該裝置能夠在更大的能區內進行高精度深度非彈性散射測量，并為核子和粒子物理學方面提供豐富的研究主題。作者們建議在美國布魯克海文國家實驗室(BNL)建造新型繆子離子對撞機(MuIC)，作為升級以接替計劃于2030年代初啟動的電子離子對撞機(EIC)。MuIC的質心系能量將把EIC的深度非彈性散射物理的運動學覆蓋范圍提高一個數量級以上, 該覆蓋范圍可與歐洲核子中心(CERN)提議的大型強子電子對撞機 (LHeC) 相媲美。

圖 美國電子離子對撞機(EIC)示意圖 圖源| Brookhaven National Laboratory

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聚焦的重大科學問題

更高的精度，更高的能量，更緊湊的裝置，這個未來的對撞機計劃聽起來非常激動人心。然而，加速器的建設周期長、花費大。人們首先要關心的是：這樣的裝置能解決什么樣的重大科學問題?“一花一世界，一葉一菩提。”雖然宇宙物質的組成單元——質子極其微小，但其內部結構卻并不簡單。在各種高能加速器“顯微鏡”的幫助下，科學家們已經“看見”了質子內部的夸克和膠子成分。宇宙可見物質的質量有99%以上來自核子(質子和中子的統稱)。核子有三個最基本的屬性：質量、自旋和力學穩定性。為了搞清楚這些屬性，科學家們借助強大的工具——如同“超級多維電子顯微鏡”的對撞機，來實現對核子的“斷層掃描成像”，深化人們對核子結構的微觀認識，從而更好地理解宇宙可見物質的質量起源問題。繆子離子對撞機的科學目標非常明確——利用繆子作為探針，來探測質子內部的膠子分布和性質，測量質子的質量半徑，揭示膠子產生質量的機制，有望解開質子質量和結構的謎團。膠子和質子質量起源緊密相關。中國科學院近代物理研究所團隊于2021年從實驗數據中提取出質子的質量分布和“質量半徑”值。2023年，美國科學家利用新的實驗數據，對質子“質量半徑”進行測量，結果發表在《自然》雜志上。質子質量半徑的實驗結果，初步揭示了膠子和夸克在質子內部的分布，從而有助于理解質子的結構。

圖 新研究得出的質子內部結構和質量來源示意圖。質量半徑比電荷半徑要小，而標量膠子云則延伸超出了電荷半徑的范圍。圖源| Argonne National Laboratory

膠子不僅和質量緊密相關，還有一個非常奇特的形態——色玻璃凝聚(CGC)。根據愛因斯坦的狹義相對論，當原子核以近光速(相對論)運動時，它會在運動方向上像煎餅一樣扁平。此外，加速核的高能量可能會導致它產生大量膠子，當膠子重組和分裂達到動態平衡時，膠子的密度飽和，這種飽和膠子物質的狀態被稱為色玻璃凝聚態。色玻璃凝聚被認為是一種普遍的物質形式，可以描述所有高能、強相互作用粒子的特性。目前，色玻璃凝聚是否存在仍然是一個難以捉摸的謎。美國正在籌建的電子離子對撞機，就將色玻璃凝聚現象作為主要探究課題之一。科學家們認為，想要充分理解這些新的觀測結果，以及發現其所暗示的新物理學，還需要更高精度的實驗。繆子離子對撞機為研究色玻璃凝聚現象提供了一個優異的平臺。

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繆子離子對撞機的優勢

在近百年的發展中，加速器技術不斷更新迭代，以適應物理學家們探索微觀世界的需要。隨著對撞能量的要求越來越高，加速器的規模也日趨龐大。能否建造一種體積小巧同時性能優異的對撞機呢?繆子離子對撞機或許是一個很好的選擇。傳統的對撞機所對撞的粒子大多為質子和電子。電子在環形磁場中發生軌跡彎曲時，其自身大部分能量會以輻射的形式損失掉。如要達到粒子加速的目標能量值，所耗費的電力實在太大。以質子加速舉例，加速器系統的能量可利用率僅為六分之一甚至十分之一，可謂非常不理想。

圖 1936年，一種新粒子——繆子被發現。繆子的質量大約是電子的207倍，壽命大約是2.2微秒。圖| 寇維

繆子作為一種基本粒子，沒有內部結構，其質量大約是電子的207倍。如果用繆子代替電子，那么繆子發出的同步輻射少了約 10 億倍!因為在同等空間范圍的條件下，繆子同步輻射損失的能量更少，繆子可以被加速到比電子更高的能量。繆子與質子碰撞，相對于質子-質子碰撞有很大的優勢。質子-質子碰撞實際上是質子內部的夸克或膠子之間的碰撞，這些夸克或膠子只攜帶質子總能量的一部分。而在繆子-質子對撞過程中，每次碰撞都涉及粒子的全部能量，因此能量損失更少。據科研人員粗略估計：繆子離子對撞機比同樣尺寸的電子離子對撞機的質心系能量大約可以提高一個量級!因此，相對于質子-質子對撞機和電子離子對撞機，繆子離子對撞機在能量上具有明顯的優勢。

圖 未來繆子對撞機和其他輕子-強子對撞機的比較 圖源| arxiv: 2203.06258

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能實現嗎?

實驗室里如何產生繆子束流呢?首先，把質子加速，然后轟擊高密度靶，這樣就可以產生次級粒子(包括K介子和π介子)，這些次級粒子會快速衰變為繆子等更輕的粒子。然后，科學家將冷卻了的繆子束團快速地加速到高能量，并和質子或者離子對撞——這就是繆子離子對撞機的基本工作原理。

圖 質子加速后轟擊固定靶，產生次級粒子π介子，π介子會快速衰變為繆子。圖源| 報告：Toward a Muon Source in HIAF project (MIP2023)

繆子離子對撞機可能建成嗎?為了使繆子離子對撞機成為下一代對撞機的真正競爭者，科學家們必須證明該裝置可以達到很高的亮度(單位時間單位面積內的事例數)。為實現這一目標，粒子必須被聚集或冷卻(速度減小)。對于繆子離子對撞機，成功冷卻是科學家面臨的最大工程挑戰。繆子由通過質子打靶得到的次級粒子衰變產生，運動朝向四面八方，就像一團彌散的云團。科學家要先將此過程的其他碎片粒子分離出去，然后用一系列磁透鏡引導繆子團。為減少繆子團彌散，可采用束流冷卻方法聚焦繆子束。可是，繆子并不穩定，其靜止壽命約為2.2微秒，傳統的束流冷卻方法要花費數小時才能達到效果。幸運的是，2020年，英國盧瑟福·阿普爾頓實驗室的國際繆子電離冷卻實驗(Muon Ionization Cooling Experiment，MICE)合作組首次成功冷卻了繆子束!他們采用了一種全新的電離冷卻技術。用這種方法，當繆子穿過加速器時，材料中一部分原子量較低的原子中的電子會被電離，從而減少繆子團的擴散。這項成果被認為是通往現實的繆子冷卻系統的里程碑，是建造未來繆子離子對撞機的關鍵一步。

圖 位于英國的國際繆子電離冷卻實驗(MICE) 圖源| cerncourier.com

目前，我國的繆子研究條件也逐漸開始具備。我國現在已建成了散裂中子源(CSNS)，并正在惠州建設“強流重離子加速器裝置(HIAF)”(脈沖型)、“加速器驅動嬗變研究裝置(CiADS)”(連續型)。這三大裝置都能提供高流強的質子或離子束流，國內開始有條件產生繆子束流。

圖 正在建設的惠州大型加速器集群(設計效果圖)圖源| 近代物理所

這里，我們對惠州大型加速器集群做一個估算。如果我們把繆子能量加速到1TeV,離子束流能量40GeV，那么繆子離子撞機的質心系能量等于400GeV, 將是研究膠子的理想能區。如果未來進一步升級，質子將可以被放大到一百萬倍以上。同時具備高能量和高亮度的繆子離子對撞機，將使科學家們擁有真正的“超級顯微鏡”，有望解開膠子之謎，從而理解可見物質世界的結構和質量起源之謎。除了研究膠子，繆子離子對撞機還可用于研究其他基本粒子，例如希格斯玻色子，并尋找新粒子。建設繆子(束)實驗裝置，同時可考慮中期目標，如繆子工廠和中微子工廠等，開展相關精確實驗方面的研究和發展繆子慢化等技術，并應用到凝聚態物理和材料科學等領域。在研制繆子離子對撞機過程中，研發更好的繆子源，繆子還可在核聚變中扮演催化的角色。

圖 繆子物理內容很豐富，包括本文的主角繆子離子對撞機。

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展望

核子結構的研究和相關的加速器探測器技術是高能核物理界競爭非常激烈的研究領域，屬于國際科學研究主流方向的前沿性研究。繆子離子對撞機作為新一代研究核子結構的超級顯微鏡，將揭示核子內部的膠子結構和性質，促進我們對色玻璃凝聚現象的理解，最終解開宇宙可見物質質量起源之謎。依托我國大科學裝置及時建造繆子離子對撞機，是實現跨越式發展的一個歷史機會，將有望推動我國的繆子物理和核子結構研究快速邁進世界前列。