粒子加速器用於探測物質的組成，如通過大型強子對撞機，並用於測量藥物的化學結構、治療癌症和製造矽微晶片。到目前為止，粒子加速器中加速的粒子是質子、電子和離子。
電子、質子或離子加速束的使用促進了許多科學技術的發展。但是缺乏同等質量的高能μ子束。目前的「巨大的對撞機」的高能能量有限，同時建造成本已經變得極為昂貴，佔地面積也相當地大。因此，在尋找新的粒子和新的物理現象時，科學家們需要創新的方法來減少未來對撞機的成本。
現在，一個名為μ子電離冷卻實驗（英文：Muon Ionization Cooling Experiment，簡稱MICE）的國際科學研究團隊，正試圖運用μ子束的高能粒子加速器技術。
μ子（Muon），又稱渺子，是一種帶有一個單位負電荷、自旋為1/2的基本粒子。渺子是像電子一樣的基本粒子，但具有更大的質量。渺子的質量約為電子質量的200倍。這意味著它們可以用來產生比大型強子對撞機高得多的能量束。渺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。
粒子加速的目標是以使其以最大可能的能量碰撞，但是當粒子的軌跡被加速器磁體彎曲時，粒子實際上會通過輻射損失能量。質子和渺子等重粒子比輕質粒子（如電子）損失的能量少得多。因此，可以達到最高能量的圓形對撞機（例如LHC）使用質子。
但是，質子不是基本粒子。它們由稱為夸克的基本粒子組成，並且由於碰撞發生在結合的夸克之間，因此質子碰撞產生的能量中只有大約六分之一至十分之一可用於產生其他粒子。相比之下，由於渺子本身是基本粒子，因此碰撞產生的所有能量都可用於產生粒子。
當前，渺子粒子加速器的最大問題是，在構建渺子對撞機之前，科學家們必須掌握到如何生成與操縱渺子束。
MICE科學家研究團體今天宣布，成功完成了創建渺子束的關鍵步驟，通過渺子電離冷卻技術，將渺子束縛到了足夠小的體積內以實現碰撞。這是通向渺子對撞機的重要裡程碑。這個研究成果發表在今天的《自然》雜誌上。
渺子是通過將一束質子粉碎到目標中而產生的。然後可以將渺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。收集到的渺子形成瀰漫的雲，因此，在碰撞時，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。這包括使渺子極其靠近並朝相同方向移動。但到目前為止，磁性透鏡只能使渺子靠得更近，或者使它們沿相同的方向移動，但不能同時使渺子既靠得更近又沿相同方向移動。
為此研究人員協作組織測試了一種全新的方法來應對這一獨特的挑戰，通過將渺子置於特殊設計的吸能材料中來對其進行冷卻，通過強大的超導磁性透鏡將光束非常緊密地聚焦而完成。
將光束冷卻成更密的雲之後，可以通過普通粒子加速器沿精確的方向加速渺子，從而使渺子發生碰撞的可能性更大。或者，可以降低冷渺子的速度，以便研究其衰減產物。
這樣，科學家們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渺子對撞機是必不可少的，渺子對撞機的性能將可能優於目前任何大型強子對撞機。渺子對撞機的能量將更為強大得多，然而製造成本與佔地面積卻更小得多。
而且，渺子對撞機的應用必將超出現在任何粒子對撞機的用途。例如，「希格斯工廠」（Higgs factory）是一種非常理想的設施，它將產生大量被稱為希格斯玻色子的基本粒子，並使這些粒子的特性得以精確確定。希格斯工廠基於傳統的線性加速器，會碰撞電子和正電子（電子的反粒子），其長度必須至少為10–20公裡。但是，一個基於圓形渺子對撞機的設施，其周長可僅為0.3公裡。如果可以在具有長而筆直的部分的賽道配置中存儲渺子，則渺子在這些部分中的衰減將產生強烈的中微子束。這種被稱為中微子工廠的設施，將揭示中微子的奧秘和可探索超出目前標準模型的物理學。
現在世界各先進國家都在制定探索高能前沿的長期戰略，計劃包括設計圓周最大100公裡的圓形對撞機和最長50公裡的線性對撞機。儘管這些使用質子、電子和正電子的方法技術風險最小，但仍然具有巨大的成本風險以及其可行性的技術挑戰。
參考：Demonstration of cooling by the Muon Ionization Cooling Experiment, Nature (2020).