μ子:科学家实现“重电子束”的聚焦

科学家们开启了实验物理学前沿的下一个阶段。这是大型强子对撞机等设备的升级版，在大型强子对撞机中，微小的粒子束以接近光速的速度奔跑，然后相互撞击，以揭示它们各自的构成。这些结果揭示了宇宙的基本性质。实验人员理想的下一步是使用“μ子”——本质上是一种重电子——来提高赌注，它可以以更高的能量碰撞。但这些光束很难形成聚焦光束。现在，一项国际合作已经成功地制造出了这种光束——他们称之为μ子电离冷却实验，简称MICE。菲尔·桑索姆从研究负责人克里斯·罗杰斯那里得到了一些“简明的MICE建议”。

克里斯-我们已经展示了一种技术，我们可以把一束叫做μ子的粒子压缩下来，然后把它们加速到很高的能量。由于μ子的独特性质，我们实际上可以探索物理，甚至超越了大型强子对撞机所能提供的能量尺度。

菲尔:哇。这是真正的未来主义。

克里斯-对，没错。就是这样。在此之前，没有人开发出这样的技术，可以真正用于处理μ介子束。

Phil -首先，介子到底是什么?

所以介子就像一个非常重的电子。实际上每天每一秒都有介子穿过你的身体，它们来自宇宙射线。

菲尔-我现在体内有介子?

克里斯-说得很对。

菲尔-他们长什么样子?

Chris -就像电子一样，除了一些特殊的性质。一是它们比电子重得多，几乎是电子的200倍;另一个是放射性衰变，所以它们只能存活百万分之二秒。

菲尔-这太奇怪了。你是怎么对付他们的?

克里斯:我们有一个特别的技巧。如果你把粒子加速到非常高的速度，随着粒子越来越接近光速它们的寿命会越来越长。这就是爱因斯坦的时间膨胀现象。

菲尔:你们实验室里是怎么制造μ子的?

克里斯-我们取一束质子，加速这些质子，然后把它们撞到目标上。所有其他的粒子都出来了，其中一些粒子是μ子。

菲尔:那你在这个实验中是怎么对付他们的呢?因为这是你第一次让他们进入光束，对吧?

克里斯:我们以前在光束中有过μ子，但我们从来没有真正准备过一束可以加速它们的光束，如果你喜欢的话，更像激光束。我们让介子束穿过吸收介质，当介子穿过吸收器时，它们会损失能量。所有的热气体在通过吸收体时都减慢了速度。所以我们需要用传统的粒子加速器技术来加速光束。

你给他们过滤的是什么材料?是什么特别而奇怪的东西吗?

Chris -我们要么用液氢，冷却到几十开尔文;或者我们使用锂金属，在金属中嵌入氢。

菲尔-那太奇怪了。

Chris -这些都是很酷的工具，我们用它们来做。

菲尔:为什么是这些?

克里斯-当介子穿过吸收体时，它们把电子从原子上撞下来，当我们把电子撞下来时，介子就失去了能量。这就是所谓的电离，这就是为什么这项技术被称为电离冷却。现在发生了另一件事:它们撞到原子核的中心，然后分散开来，向各种不同的方向飞去。现在我们不希望那样，所以我们必须选择原子核尽可能小的特殊材料。氢的原子核是所有物质中最小的，锂的原子核也非常小。

菲尔-这就是为什么我们花了这么长时间才弄明白吗?因为你试图得到原子核足够小的材料……核吗?细胞核?

克里斯-原子核。

菲尔-核!

Chris:我们要考虑的不仅仅是材料;我们必须把它和粒子加速器晶格结合起来。将这两种不同的东西结合到一个实验中是非常棘手的。

当你第一次成功的时候是什么感觉?

克里斯-真的很酷。事实上，我们只冷却了整个冷却通道的10%这在一个真正的介子对撞机设备中是需要的。但那很酷。

菲尔:这对物理学意味着什么?是否真的有令人兴奋的科学可能会利用μ介子光束?

克里斯:我们实验的目的是把这项技术应用到一个叫做μ子对撞机的东西上，在那里我们把几束μ子碰撞在一起。μ子对撞机非常令人兴奋，因为它们可以让我们达到比欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(Large Hadron Collider)等现有设备更高的能量。

就像大型强子对撞机的升级版?

克里斯-这将是一个大型μ子对撞机。

Phil -大型μ子对撞机。那很酷。

克里斯-应该是!