用于研究“极早期宇宙”的粒子对撞机：μ 子对撞机演示

粒子加速器是研究极早期宇宙的研究工具。强子对撞机（尤其是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机 LHC）和电子-正电子对撞机在探索极早期宇宙方面处于领先地位。大型强子对撞机 (LHC) 上的 ATLAS 和 CMS 实验于 2012 年成功发现了希格斯玻色子。μ 子对撞机在此类研究中可能大有裨益，但目前尚未实现。研究人员现已成功将正μ 子加速到光速的约 4%。这是世界上首次对μ 子进行冷却和加速。作为概念验证演示，这为在不久的将来实现第一个μ 子加速器铺平了道路。  

詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 目前正在研究早期宇宙。JWST 专门用于研究早期宇宙，它通过拾取宇宙大爆炸后形成的早期恒星和星系的光学/红外信号来实现这一目标。最近，JWST 成功发现了宇宙大爆炸后约 14 亿年形成的最遥远的星系 JADES-GS-z0-290。  

宇宙有三个阶段——辐射时代、物质时代和当前的暗能量时代。从大爆炸到大约 50,000 年，宇宙以辐射为主。随后是物质时代。物质时代的银河时代从大爆炸后约 200 亿年持续到大爆炸后约 3 亿年，其特点是形成星系等大型结构。这个时代通常被称为 JWST 研究的“早期宇宙”。  

“极早期宇宙”是指宇宙大爆炸后不久的早期阶段，当时宇宙极热，完全由辐射主导。普朗克时期是辐射时代的第一个时期，从大爆炸持续到 10^-43 温度为 10³² K，这个时期的宇宙非常热。普朗克时期之后是夸克时期、轻子时期和核时期；这些时期都很短暂，但都以极高的温度为特征，随着宇宙的膨胀，温度逐渐降低。  

直接研究宇宙的这个早期阶段是不可能的。我们能做的就是在粒子加速器中重现宇宙大爆炸后最初三分钟的条件。加速器/对撞机中粒子碰撞产生的数据为了解极早期宇宙提供了一个间接窗口。  

对撞机是粒子物理学中非常重要的研究工具。这些是圆形或线性机器，可将粒子加速到接近光速的极高速度，并使它们与来自相反方向的另一个粒子或目标碰撞。碰撞会产生数万亿开尔文的极高温度（类似于辐射时代最早时期的条件）。碰撞粒子的能量相加，因此碰撞能量更高，这些能量会转化为物质，即根据质能对称性存在于极早期宇宙中的大质量粒子。在极早期宇宙条件下，高能粒子之间的这种相互作用为了解当时原本无法接近的世界打开了一扇窗户，而对碰撞副产品的分析则为理解物理支配定律提供了一种方法。  

也许，最著名的对撞机例子是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机 (LHC)，即大型对撞机，强子（仅由夸克组成的复合粒子，如质子和中子）在其中碰撞。它是世界上最大、最强大的对撞机，产生的碰撞能量为 13 TeV（兆电子伏），这是加速器所能达到的最高能量。到目前为止，对碰撞副产物的研究非常丰富。2012 年，大型强子对撞机 (LHC) 上的 ATLAS 和 CMS 实验发现希格斯玻色子，这是科学的一个里程碑。  

粒子相互作用的研究规模取决于加速器的能量。为了探索越来越小的尺度，需要能量越来越高的加速器。因此，人们总是在寻求比目前更高能量的加速器，以全面探索粒子物理的标准模型并进行更小尺度的研究。因此，目前正在研发几种新的高能加速器。  

CERN 的高亮度大型强子对撞机 (HL – LHC) 可能于 2029 年投入运行，其设计目的是通过增加碰撞次数来增强 LHC 的性能，以便更详细地研究已知机制。另一方面，未来环形对撞机 (FCC) 是 CERN 雄心勃勃的高性能粒子对撞机项目，其周长约为 100 公里，位于地下 200 米处，将接替大型强子对撞机 (LHC)。其建造可能于 2030 年代开始，分两个阶段实施：FCC-ee（精密测量）将于 2040 年代中期投入运行，而 FCC-hh（高能）将于 2070 年代开始运行。FCC 应探索 LHC 无法触及的新型重粒子的存在，以及与标准模型粒子相互作用非常弱的轻粒子的存在。  

因此，在对撞机中发生碰撞的粒子组之一是强子，例如质子和原子核，它们是由夸克组成的复合粒子。它们很重，可以让研究人员达到高能量，就像 LHC 的情况一样。另一组是轻子，例如电子和正电子。这些粒子也会发生碰撞，就像大型电子-正电子对撞机 (LEPC) 和 SuperKEKB 对撞机的情况一样。基于电子-正电子的轻子对撞机的一个主要问题是，当粒子被迫进入圆形轨道时，同步辐射会造成大量能量损失，而这可以通过使用μ子来克服。与电子一样，μ子是基本粒子，但比电子重 200 倍，因此同步辐射造成的能量损失要小得多。  

与强子对撞机不同，μ 子对撞机运行所需的能量更少，这使得 10 TeV μ 子对撞机与 100 TeV 强子对撞机相当。因此，μ 子对撞机在高亮度大型强子对撞机 (HL - LHC) 之后可能更适合用于高能物理实验，而不是 FCC-ee，或者 CLIC （紧凑型线性对撞机）或 ILC （国际直线对撞机）。鉴于未来高能对撞机的长期发展，μ 子对撞机可能是未来三十年粒子物理学中唯一潜在的研究工具。μ 子可用于超精确测量异常磁矩 (g-2) 和电偶极矩 (EDM)，以探索超越标准模型的领域。μ 子技术还可应用于多个跨学科研究领域。  

然而，实现μ子对撞机存在技术挑战。与不会衰变的强子和电子不同，μ子的寿命很短，只有 2.2 微秒，之后会衰变为电子和中微子。但μ子的寿命会随着能量的增加而增加，这意味着如果快速加速，其衰变可以推迟。但加速μ子在技术上很困难，因为它们的方向和速度不一样。  

近日，日本质子加速器研究中心（J-PARC）的研究人员成功攻克了μ子技术难题，在世界范围内首次成功将正μ子加速至光速的约4%。这是经过多年不断发展冷却和加速技术后，首次实现正μ子的冷却和加速。  

J-PARC 的质子加速器每秒产生约 100 亿个介子。这是通过将质子加速到接近光速并使其撞击石墨形成介子来实现的。介子是介子的衰变产物。  

研究小组制造出速度约为光速30%的正μ子，并将其射入二氧化硅气凝胶中。让μ子与二氧化硅气凝胶中的电子结合，形成μ子（由中心的正μ子和围绕正μ子的电子组成的中性原子状粒子或伪原子）。随后，通过激光照射将电子从μ子中剥离，得到冷却到光速约0.002%的正μ子。之后，利用射频电场加速冷却后的正μ子。这样产生的加速正μ子具有方向性，因为它们从接近零开始逐渐加速到光速的约4%，成为方向性极强的μ子束。这是μ子加速技术的一个里程碑。  

研究小组计划最终将正μ子加速到光速的94%。 

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参考文献：  

1. 俄勒冈大学。早期宇宙——蒂姆的开端。可访问 https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN。加速科学——介子对撞机。可访问 https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC。新闻稿——世界上首次冷却和加速μ子。发布于 23 年 2024 月 XNUMX 日。可访问 https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S. 等人，2024 年。射频腔加速正μ子。arXiv 预印本。提交于 15 年 2024 月 XNUMX 日。DOI： https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

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