英國倫敦帝國理工學院領銜的國際研究團隊在粒子物理領域取得突破性進展，通過一種創新的μ子束編組技術，為未來的μ子對撞機鋪平了道路。這一技術有望以更低的成本、更緊湊的規模實現高能物理實驗，助力探索新物理學現象。研究成果于7月17日發表在《自然·物理學》雜志上。

μ子加速器：開啟粒子物理新篇章

粒子加速器廣泛用于探測物質的基本組成、研究化學結構、開發醫療技術和制造高科技設備。目前主流加速器通常使用質子、電子和離子，但相比之下，基于μ子的加速器具備顯著優勢。μ子是一種帶負電的亞原子粒子，其質量約為電子的200倍，壽命較短但能量密度高。μ子對撞機不僅能在小體積內實現極高的有效碰撞能量，還可大幅降低實驗設施的建造成本。

傳統質子加速器如大型強子對撞機（LHC）的周長達到27公里，未來計劃中的質子加速器或需擴展至100公里。然而，μ子對撞機則可通過更緊湊的設計達到同等甚至更高的實驗能量。例如，美國費米實驗室對μ子對撞機的潛力表示極大興趣，計劃引入這一技術。

關鍵技術突破：聚集與冷卻μ子

實現μ子對撞機的核心挑戰在于如何有效聚集并冷卻μ子束，使其在加速過程中形成高密度、高有序的光束。這種集中光束能夠確保與相反方向的μ子束精準碰撞，從而實現高能實驗。

研究團隊在英國盧瑟福·阿普爾頓實驗室（RAL）的ISIS設施中，通過“磁透鏡”和能量吸收材料的組合成功冷卻了μ子束，顯著改善了光束形狀和傳播方式。實驗表明，冷卻過程不僅使μ子束的尺寸減小，還提升了其有序性，為實現高效碰撞奠定了堅實基礎。

μ子對撞機的未來前景

與傳統加速器相比，μ子對撞機的建設周期短、成本低，適合在現有實驗設施基礎上進行部署。研究負責人保羅·博格丹·朱爾吉博士表示，這一突破為國際粒子物理界帶來了全新希望，加速了μ子對撞機從概念到實際應用的進程。

目前，研究團隊正與國際μ子對撞機合作組織（IMCC）合作，計劃開發更大規模的μ子冷卻技術演示系統，以推動μ子對撞機的早日問世。這一新型加速器不僅將促進基本粒子和宇宙結構的研究，還可能帶動癌癥治療、新型能源開發等多領域技術應用的突破。

μ子對撞機的研發和實現，將為人類探索物質的終極奧秘提供前所未有的機會。隨著技術的不斷完善和實驗規模的擴大，這項新技術有望成為未來高能物理實驗的主力工具，開啟粒子物理研究的新紀元。

參考文獻：

[1]The MICE Collaboration. Transverse emittance reduction in muon beams by ionization cooling. Nat. Phys. 20, 1558–1563 (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02547-4.