來源：【中國科學(xué)報】

文 李木子

美國建造一臺新的粒子對撞機的勢頭越來越猛，后者可以粉碎比電子更重的“表親”——繆介子（μ子）。物理學(xué)家希望用它發(fā)現(xiàn)新的粒子。

盡管μ子的短命特性使得這種對撞機在技術(shù)上難以建造，但它的主要優(yōu)勢在于可以設(shè)計得更小、更便宜。不過，實現(xiàn)這一愿景還很遙遠，最早也要到2040年，但其倡導(dǎo)者表示，現(xiàn)在就需要開啟研發(fā)工作。

現(xiàn)在，世界各地的物理學(xué)家都在考慮這種對撞機的可行性。美國伊利諾伊州巴達維亞費米國家實驗室的粒子物理學(xué)家Karri Di Petrillo說，這是一個“大膽而有前途的愿景”。

2012年，瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，但并沒有發(fā)現(xiàn)許多物理學(xué)家期望的其他新粒子，有人認為這可能是因為超出了機器的能力范圍。相反，μ子對撞機將是一臺“發(fā)現(xiàn)”機器，能夠通過前所未有的能量碰撞找到新的粒子。

物理學(xué)家對μ子對撞機的支持出現(xiàn)在“斯諾馬斯”期間，這是美國粒子物理界每十年一次的重大規(guī)劃活動，旨在提出科學(xué)愿景。組織者會把數(shù)千名科學(xué)家的觀點提煉成一份報告，最終影響美國政府的資助。在物理學(xué)家撰寫的“能源前沿”部分的白皮書中，幾乎有三分之一是關(guān)于μ子對撞機的。

μ子可以被加速到比電子更高的能量，因為它們在同步輻射時損失的能量更少。它們比質(zhì)子碰撞有更大的優(yōu)勢。這包括粒子組成的夸克之間的碰撞，每個夸克只攜帶總碰撞能量的一小部分。

因為μ子是基本粒子，每次碰撞都涉及粒子的全部能量。這意味著一臺10萬億電子伏特、10公里長的μ子對撞機，可與CERN建造的100萬億電子伏特、90公里長的質(zhì)子機器產(chǎn)生能量相同的粒子。

μ子對撞機的概念自20世紀60年代就已存在，但直到最近幾年才開發(fā)出可行的技術(shù)來處理μ子的特性，包括μ子容易衰變、產(chǎn)生令人討厭的背景噪聲、很難誘使其形成強流束等。明尼蘇達大學(xué)的物理學(xué)家Priscilla Cushman說，美國物理學(xué)家之所以興奮，是因為有足夠的時間來開發(fā)和制造這臺機器，以取代希格斯粒子工廠。

費米國家實驗室的粒子物理學(xué)家Joel Butler說，它是否會在美國建造取決于資金、政治及技術(shù)的可行性。斯坦福大學(xué)粒子物理學(xué)家Caterina Vernieri說，人們對μ子對撞機的熱情與對成本和可持續(xù)性的關(guān)注相關(guān)。

過去十年，無論是在設(shè)計用于尋找暗物質(zhì)的大質(zhì)量探測器上，還是在大型強子對撞機上，都未能找到理論上預(yù)測的一種暗物質(zhì)，即弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP），這意味著暗物質(zhì)肯定比人們想象的更奇特。

奧地利格拉茨大學(xué)的暗物質(zhì)物理學(xué)家Suchita Kulkarni說，物理學(xué)家希望尋找更輕的暗物質(zhì)候選者，并重新審視他們的研究?？紤]到暗物質(zhì)可能作為一個整體而不是一個粒子存在，斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家Micah Buuck說，要找到它就需要進行一些大型而敏感的實驗，比如那些已經(jīng)在尋找WIMP的實驗，還有更多的小型實驗。

明年將是關(guān)鍵時刻。屆時美國聯(lián)邦粒子物理優(yōu)先小組將利用斯諾馬斯的結(jié)論和預(yù)算方面的考慮，向能源部和國家科學(xué)基金會的出資人提出未來十年的投資建議。

《中國科學(xué)報》 (2022-08-10 第1版 要聞)

編輯 | 趙路

排版 | 志海

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