科學家完成突破性電離冷卻實驗,打造「緲子對撞機」現曙光

作者 | 發布日期 2020 年 02 月 06 日 19:58 | 分類 尖端科技 , 材料、設備 , 自然科學 follow us in feedly


過去,大型強子對撞機發現全新的希格斯玻色子,圓滿了標準模型,但其巔峰似乎止步於此,我們亟需更強大的工具來發現新粒子。努力了 20 年,科學家現在終於完成電離冷卻實驗產生珍貴緲子束,這是開發比強子對撞機還要更強大的「緲子對撞機」之必要步驟。

為了從最基本層面研究世間萬物,物理學家們喜歡將高能量的粒子粉碎在一起,然後過濾撞擊後的殘骸,試圖從中尋找衍生而出的新粒子,比如大型強子對撞機(LHC)在 2012 年發現了希格斯玻色子(Higgs boson)。然而當今最強大的粒子對撞機如 LHC,自那之後就不再發現其他新粒子,讓科學家開始想打造更高能量的粒子加速器——碰撞能量越高,越可能發現更重的粒子。

於是乎,比 LHC 還要大 4 倍的新世代環狀對撞機(Future Circular Collider,FCC)正如火如荼建造中。

只不過利用質子束對撞進行實驗的 LHC、FCC 有個最大缺點:質子由稱為夸克的較小粒子組成,每個夸克僅攜帶一小部分能量,在碰撞時容易丟失訊息,意即很難追蹤是什麼粒子與什麼粒子碰撞、以及衍生什麼粒子。

為了避開這個問題,有些對撞機選擇利用電子與電子的反物質(正電子)來進行碰撞實驗,只不過這也有個缺點:電子沒有任何已知的內部結構,然而它們在改變方向時會產生輻射,這說明有效的電子粒子加速器必須又長又直,占地極廣。

而緲子對撞機可以同時解決上述兩種加速器的缺點。首先,緲子在粒子物理學標準模型中為基本粒子,與同屬於輕子的電子具有相似性質,但質量約電子的 200 倍,並且改變方向時不會釋放太多輻射,代表建造緲子對撞機的占地面積更小、成本更低。

▲ 緲子電離冷卻實驗。

只不過緲子對撞機也有屬於自己的缺點:為了製造緲子,科學家需先將一束質子束撞擊到目標中,產生其他會衰變並產生緲子的粒子,而緲子會從不同方向出現、能量也不一,然後在 2 微秒內又迅速衰變成其他粒子,因此要想對撞機中收集緲子,需將其快速冷卻或引導成有序的形狀,稱為緲子冷卻(Muon cooling)。

如今,進行了近 20 年的緲子電離冷卻實驗(Muon Ionization Cooling Experiment,MICE)終於有了確切進展。理論物理學家在 1970 年代末設計了電離冷卻法,但難以落實,因為必須產生強大電磁場來加速所有緲子,多次重複此過程以產生緲子束,科學家直到 2000 年代初期才對這種設備產生興趣,原因是:緲子會衰變成微中子,如果能收集緲子束,就能進一步研究幾乎不與物質相互作用的神祕微中子。

在 MICE 最新合作實驗中,科學家成功利用電離冷卻法創造出緲子束,帶我們看見開發更強大粒子加速器束的曙光,一旦電離冷卻技術成熟,科學家有朝一日將能打造專門研究微中子的對撞機。

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(圖片來源:UKRI

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