物理学家们正积极探索研制μ子对撞机这一先进粒子加速器，以期揭示宇宙本质的新奥秘。尽管研究快速衰变的μ子面临巨大挑战，但随着加速器、磁铁和探测器技术的进步，建造这种对撞机有望成为现实。近日，费米实验室举办研讨会，来自世界各地的研究人员齐聚一堂，共同探讨相关挑战。
去年，在费米实验室举行的美国μ子对撞机首届会议上，研究人员合影留念。照片：费米实验室的丹·斯沃博达
近一个世纪以来，物理学家通过粒子碰撞来洞察物理世界本质，推动了物理学领域的诸多重大突破。例如，费米国家加速器实验室的兆电子伏特加速器发现了顶夸克，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机发现了希格斯玻色子。如今，粒子物理学迎来新领域——通过μ子这一亚原子粒子的碰撞来解锁科学知识潜力。一旦建成，μ子对撞机将揭示新的物理现象，彻底改变人类对能量、物质、空间和时间的理解。
μ子与电子、τ轻子以及相应的中微子同属轻子家族，其质量约为电子的200倍。与由夸克和胶子组成的复合粒子质子不同，μ子是尚不清楚内部结构的基本粒子。
在粒子对撞机中，高能碰撞能直接将能量转化为新粒子，这证明了爱因斯坦著名的质能方程E = mc²(将物质与能量联系起来)。μ子对撞机的主要优势在于，它能将粒子碰撞产生的能量直接转化为新粒子，无需将能量转移到其他地方。而且，由于μ子并非由更小的粒子构成，其碰撞会产生更清晰的数据集。相比之下，质子或带电原子碰撞时，部分能量会浪费在从其内部结构中喷射出次级粒子上，而非充分利用来产生新粒子。因此，μ子对撞机将占用更小面积和更少能量来产生新粒子进行研究。例如，一台更节能的10 TeV μ子对撞机可产生与100 TeV强子对撞机相当的物理数据，体积却大约只有后者的五分之一。
然而，μ子存在时间仅为几微秒，这成为利用其研究潜力的重大挑战。费米实验室的科学家塞尔戈·金达里阿尼表示，虽然μ子对撞机的概念可追溯到20世纪70年代，但因实际操作障碍，一直停留在理论阶段，而最近的技术进步重新激发了人们对它的兴趣。
加速器和探测器技术的进步为物理学研究带来新可能。超导腔如今可将粒子加速到更高能量，超导磁体可产生更强磁场，未来探测器中精确计时功能和人工智能的集成将彻底改变其性能。不过，专家们一致认为，在建造μ子对撞机前，还需进一步突破。理论物理学家、实验物理学家和加速器物理学家的合作，对开发对撞机所需的工具和基础设施至关重要。
为启动这一雄心勃勃的项目，去年8月，约300名来自全国各地的研究人员齐聚费米实验室，讨论技术挑战、制定科学界教育计划，并争取开发和建造对撞机的支持。金达里阿尼称，有一大批早期职业研究人员被开创性新物理学的前景所吸引，最早可能在2040年代开始建造对撞机，这台机器是为后代人学习和进行物理研究而建。
普林斯顿大学的博士后研究员Kiley Kennedy参加了首届μ子对撞机研讨会，她负责大型强子对撞机的CMS探测器研究。Kennedy表示，自己2015年以本科生身份进入粒子物理领域，并未建造如今研究的探测器，而是继承了它，想到能建造一个希望自己能用上的探测器，感觉很酷。她还提到，该领域的高级研究人员可能没机会在对撞机完全建成后对其进行研究，认为他们正在回馈社会，正如艾萨克·牛顿所说“如果我看得更远，那是因为我站在巨人的肩膀上”，自己从大型强子对撞机到μ子对撞机的对撞机物理学研究中也有此感受。
对撞μ子最艰巨的技术挑战之一是凝聚μ子以增加对撞机中的碰撞次数，因为μ子产生后会散射，凝聚μ子就像将篮球大小的弥散云团压缩成大理石大小的光滑致密团簇。建造μ子对撞机的关键一步是开发μ子电离冷却演示器的原型，以帮助研究人员应对凝聚μ子的挑战。原型完成后，将利用一系列强大的磁铁、吸收材料和包含电磁能的腔体，精确地将μ子挤压得更紧密，从而增加μ子群之间的碰撞次数。
十月份举行的第二次规模较小的研讨会帮助研究人员概念化了该原型的细节，包括所需设备、空间和时间表。费米实验室科学家迪克蒂斯·斯特拉基斯表示，国际电离冷却演示器研讨会为建造一个原型冷却系统(称为演示器)奠定了基础，建造这个演示器将是迈向μ子对撞机的重要一步。
国际μ子对撞机合作组织的目标是在2030年代之前让演示器投入运行。虽然该合作是国际性的，但电离冷却演示器和最终的全尺寸μ子对撞机最终可能会在费米实验室建造，进而将下一代粒子物理能力带到美国。
