物理學家們正積極探索研制μ子對撞機這一先進粒子加速器，以期揭示宇宙本質的新奧秘。盡管研究快速衰變的μ子面臨巨大挑戰，但隨著加速器、磁鐵和探測器技術的進步，建造這種對撞機有望成為現實。近日，費米實驗室舉辦研討會，來自世界各地的研究人員齊聚一堂，共同探討相關挑戰。

去年，在費米實驗室舉行的美國μ子對撞機首屆會議上，研究人員合影留念。照片：費米實驗室的丹·斯沃博達

近一個世紀以來，物理學家通過粒子碰撞來洞察物理世界本質，推動了物理學領域的諸多重大突破。例如，費米國家加速器實驗室的兆電子伏特加速器發現了頂夸克，歐洲核子研究中心的大型強子對撞機發現了希格斯玻色子。如今，粒子物理學迎來新領域——通過μ子這一亞原子粒子的碰撞來解鎖科學知識潛力。一旦建成，μ子對撞機將揭示新的物理現象，徹底改變人類對能量、物質、空間和時間的理解。

μ子與電子、τ輕子以及相應的中微子同屬輕子家族，其質量約為電子的200倍。與由夸克和膠子組成的復合粒子質子不同，μ子是尚不清楚內部結構的基本粒子。

在粒子對撞機中，高能碰撞能直接將能量轉化為新粒子，這證明了愛因斯坦著名的質能方程E = mc²(將物質與能量聯系起來)。μ子對撞機的主要優勢在于，它能將粒子碰撞產生的能量直接轉化為新粒子，無需將能量轉移到其他地方。而且，由于μ子并非由更小的粒子構成，其碰撞會產生更清晰的數據集。相比之下，質子或帶電原子碰撞時，部分能量會浪費在從其內部結構中噴射出次級粒子上，而非充分利用來產生新粒子。因此，μ子對撞機將占用更小面積和更少能量來產生新粒子進行研究。例如，一臺更節能的10 TeV μ子對撞機可產生與100 TeV強子對撞機相當的物理數據，體積卻大約只有后者的五分之一。

然而，μ子存在時間僅為幾微秒，這成為利用其研究潛力的重大挑戰。費米實驗室的科學家塞爾戈·金達里阿尼表示，雖然μ子對撞機的概念可追溯到20世紀70年代，但因實際操作障礙，一直停留在理論階段，而最近的技術進步重新激發了人們對它的興趣。

加速器和探測器技術的進步為物理學研究帶來新可能。超導腔如今可將粒子加速到更高能量，超導磁體可產生更強磁場，未來探測器中精確計時功能和人工智能的集成將徹底改變其性能。不過，專家們一致認為，在建造μ子對撞機前，還需進一步突破。理論物理學家、實驗物理學家和加速器物理學家的合作，對開發對撞機所需的工具和基礎設施至關重要。

為啟動這一雄心勃勃的項目，去年8月，約300名來自全國各地的研究人員齊聚費米實驗室，討論技術挑戰、制定科學界教育計劃，并爭取開發和建造對撞機的支持。金達里阿尼稱，有一大批早期職業研究人員被開創性新物理學的前景所吸引，最早可能在2040年代開始建造對撞機，這臺機器是為后代人學習和進行物理研究而建。

普林斯頓大學的博士后研究員Kiley Kennedy參加了首屆μ子對撞機研討會，她負責大型強子對撞機的CMS探測器研究。Kennedy表示，自己2015年以本科生身份進入粒子物理領域，并未建造如今研究的探測器，而是繼承了它，想到能建造一個希望自己能用上的探測器，感覺很酷。她還提到，該領域的高級研究人員可能沒機會在對撞機完全建成后對其進行研究，認為他們正在回饋社會，正如艾薩克·牛頓所說“如果我看得更遠，那是因為我站在巨人的肩膀上”，自己從大型強子對撞機到μ子對撞機的對撞機物理學研究中也有此感受。

對撞μ子最艱巨的技術挑戰之一是凝聚μ子以增加對撞機中的碰撞次數，因為μ子產生后會散射，凝聚μ子就像將籃球大小的彌散云團壓縮成大理石大小的光滑致密團簇。建造μ子對撞機的關鍵一步是開發μ子電離冷卻演示器的原型，以幫助研究人員應對凝聚μ子的挑戰。原型完成后，將利用一系列強大的磁鐵、吸收材料和包含電磁能的腔體，精確地將μ子擠壓得更緊密，從而增加μ子群之間的碰撞次數。

十月份舉行的第二次規模較小的研討會幫助研究人員概念化了該原型的細節，包括所需設備、空間和時間表。費米實驗室科學家迪克蒂斯·斯特拉基斯表示，國際電離冷卻演示器研討會為建造一個原型冷卻系統(稱為演示器)奠定了基礎，建造這個演示器將是邁向μ子對撞機的重要一步。

國際μ子對撞機合作組織的目標是在2030年代之前讓演示器投入運行。雖然該合作是國際性的，但電離冷卻演示器和最終的全尺寸μ子對撞機最終可能會在費米實驗室建造，進而將下一代粒子物理能力帶到美國。