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『返朴』如何建造更小却更强大的对撞机？( 二 )


除了希格斯工厂 ， μ子加速器还可以用于建造“中微子工厂” 。 如果可以将μ子存储在长直跑道般的结构当中 ， μ子的衰变将产生强烈的中微子束 。 这种被称为中微子工厂的设备将揭示中微子的奥秘和超出标准模型的新物理 。
2、电离冷却技术聚焦μ子束
然而要实现中微子工厂或μ子对撞机 ， 科学家必须首先学会如何操纵μ子束 。 不像电子束可以如同激光那样汇聚成极细的束流 ， μ子束的产生过程更复杂 ， 未经冷却的μ子束更像是散弹枪发射的子弹 。 因此 ， 科学家需要聚焦μ子束 ， 这涉及到减少μ子在垂直于束流方向上位置和速度的扩散 。
μ子束的扩散与温度有关 ， 冷却μ子束就可以减少横向扩散 。 不过 ， 因为μ子并不稳定 ， 极易发生衰变 ， 它们存在时间很短 ， 静止寿命仅为 2.2 微秒 ， 对于加速器中常用的四种冷却技术——同步加速器辐射冷却、激光冷却、随机冷却和电子冷却 ， 如果单独应用这四种方法的一种 ， 在每种情况下 ， 冷却粒子束所需的时间都比μ子寿命长 ， 因而不能实现μ子的迅速冷却 。
因此科学家提出了一种全新的电离冷却技术来冷却μ子束 。 用这种方法 ， 加速器的一部分包含原子量较低的材料 ， 当μ子穿过加速器时 ， 材料中原子的电子会被电离 ， 从而减少μ子位置和速度的扩散 。 MICE合作组的目标就是建造和测试用于μ子电离冷却的系统 ， 实现这种冷却技术 ， 并验证用于电离冷却系统设计的仿真工具 。
在实验中 ， 科学家首先让质子束撞击标靶物体 ， 产生包含π介子、K介子和μ子的次级粒子束 。 其中π介子和K介子会衰变产生更多的μ子 。 在这个阶段 ， μ子束的横向位置和速度扩散到很宽的范围 。 当这些μ子束通过由氢化锂或液态氢制成的能量吸收介质时 ， 电离冷却的过程会减少其横向扩散 ， 实现μ子束的聚焦 。
『返朴』如何建造更小却更强大的对撞机？
本文插图
μ子的产μ子的产生及电离冷却 。 | 图片来源：nature
在加速器实验中 ， 通常通过测量束流的质心、粒子位置的扩散或密度分布 ， 来评价束流的品质 。 为了证明电离冷却 ， MICE合作组采取了前所未有的方法 ， 用对撞探测器技术测量了通过实验装置的每一个μ子的输入和输出坐标及速度 。 通过测量小振幅粒子数量的增加和粒子束的相空间密度的增加 ， 科学家可以确认 ， 他们实现了μ子的电离冷却 。
3、未来的对撞机
目前 ， 世界各地的科研机构在制定各种长期战略 ， 以试图探索高能物理的前沿 。 这些计划既包括设计周长达100公里的环形对撞机 ， 例如中国的环形正负电子/质子对撞机（CEPC/SPPC）、欧洲核子中心的未来环形对撞机（FCC-ee/FCC-hh）等 ， 也包括设计长达30公里的直线对撞机 ， 例如日本计划建造的国际直线对撞机（ILC） 。 这些设备拟加速质子、电子和正电子等常用粒子 ， 以尽量降低技术风险 ， 但它们仍然需要耗费巨大的成本 ， 并面临许多技术挑战 。 这些都将影响计划的可行性 。
『返朴』如何建造更小却更强大的对撞机？
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欧洲核子中心计划在现有的大型强子对撞机（LHC）旁边 ， 建造周长达100公里的未来环形对撞机（FCC） 。 LHC是质子对撞加速器 ， FCC则是正负电子对撞加速器 。 | 图片来源：CERN
也有一些计划会使用创新技术来设计 ， 例如基于激光和等离子体的加速技术 。 这些方法在开发低能耗的紧凑型加速器方面取得了很大的进步 ， 但是 ， 如果既要保持高束流品质 ， 又要达到高能量量级 ， 还需要进行多年的摸索 。 另外则有一些计划使用了μ子束 。
MICE合作组首次实现了μ子电离冷却技术 ， 但是 ， 需要注意的是目前冷却量还很小 ， 电离冷却技术仍然处于起步阶段 。 要获得能够用于对撞的μ子束 ， 科学家必须从μ子中吸收比这次实验中多一万倍的能量 。 科学家已经开发出了用于μ子对撞机的概念设计 ， 但是要实现有效的μ子冷却系统和μ子对撞机 ， 还需要做更多的工作 。


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