科學家展示了使下一代高能粒子加速器成為可能的關鍵技術。
圖片：倫敦帝國理工學院
粒子加速器用於大型強子對撞機等對撞機中的探測物質的組成，並用於測量藥物的化學結構、治療癌症和製造矽晶片。
到目前為止，加速的粒子是集中的質子、電子和離子。但是，一個名為μ子電離冷卻實驗（Muon Ionization Cooling Experiment，MICE）合作的國際團隊正在努力製造μ子束，該團隊包括倫敦帝國理工學院的研究人員。
μ子是一種帶有一個單位負電荷、自旋為1/2的基本粒子。μ子與同屬於輕子的電子和τ子具有相似的性質，人們至今未發現輕子具有任何內部結構。歷史上曾經將μ子稱為μ介子，但現代粒子物理學認為μ子並不屬於介子。 每一種基本粒子都有與之對應的反粒子，μ子的反粒子是反μ子。
μ子是像電子一樣的粒子，但具有更大的質量。這意味著它們可以用來產生比大型強子對撞機高十倍的能量的束。
μ子還可以用於研究材料的原子結構，作為核聚變的催化劑，並穿透X射線無法穿透的真正緻密的材料。
成功的關鍵一步
MICE今天宣布，成功完成了創建μ子束的關鍵步驟，即將μ子束縛到足夠小的體積內，以免發生碰撞。結果今天發表在《自然》上。
該實驗是使用位於英國哈維爾校區的科學技術設施委員會（STFC）ISIS中子和μ子束設施中的MICE μ子束線進行的。
帝國理工大學物理系的Ken Long教授是該實驗的發言人。他說：「國際合作的熱情、奉獻和辛勤工作以及STFC和世界各地研究所的實驗室人員的出色支持使這種改變遊戲規則的突破成為可能。」
μ子是通過將一束質子打到目標中而產生的。然後可以將μ子與目標處產生的碎片分離開，並引導它們通過一系列磁透鏡。由於是從彌散的雲中收集μ子，因此在碰撞它們時，它們相互碰撞並產生有趣的物理現象的機會確實很小。
為了減少雲的擴散，使用了一種稱為射束冷卻的過程。這包括使μ子靠近並朝相同方向移動。但是，到目前為止，磁性透鏡只能使μ子靠得更近，或者使它們沿相同的方向移動，而不能使二者同時進行。
冷卻μ子
MICE協作組織測試了一種全新的方法來應對這一獨特的挑戰，即通過將它們放入特殊設計的吸能材料中來冷卻它們。這是通過強大的超導磁性透鏡將μ子束非常緊密地聚焦而完成的。
將μ子束冷卻成更密的雲之後，普通的粒子加速器可以在精確的方向上加速μ子，從而使μ子發生碰撞的可能性更大。或者，可以降低冷μ子的速度，以便研究其衰變產物。
屬於STFC ISIS設施和合作夥伴的物理協調員的Chris Rogers博士解釋說：「MICE展示了一種將粒子束壓縮成較小體積的全新方法。這種技術對於成功製造μ子對撞機是必不可少的，而這種性能可能優於甚至大型強子對撞機。」
在《自然》雜誌上發表了《通過μ子電離冷卻實驗進行冷卻的演示》。