[科普中国]-μ介子对撞机

产生

目前，理论方面认定，“超标准模型”新物理将出现在TeV量级或接近TeV量级能量的夸克-反夸克和轻子-反轻子对撞中。为了充分研究TeV能级物理，至少要有一台几个TeV能量的强子-强子对撞机，用来广泛寻找新物理，还需一台或更多的TeV能级轻子-反轻子对撞机，以便对新现象作精确测量。在强子对撞机方面，欧洲粒子研究中心(CERN)正在建造的大型强子对撞机将提供未来的能量前沿，这台质子-质子对撞机的质心能量是14TeV，预计于2005年投入运行。

然而，TeV能级的轻子-反轻子对撞机的前途却不甚明朗。迄今为止，世界上的轻子-反轻子对撞机都是电子-正电子对撞机，如CERN的大型正负电子对撞机(LEP)和美国斯坦福直接对撞机(SLC)。但是，电子是非常轻的，并且在加速过程中会因辐射而损失能量。在环形对撞机中，对撞粒子的能量越高，同步辐射造成的能量损失也越大，这就限制了环形正负电子对撞机的质心能量的提高。建造直线正负电子对撞机可以减小辐射损失的影响，但由于一些技术方面的难题，实际上很难达到或超过TeV能级的能量。

一个质量为m的轻子在环中每圈的能量损失是。很显然，如果利用重轻子就可以解决这一问题。实际上可用的就是μ子，因为它的质量是电子的207倍。这将使辐射损失大大减小，从而达到更高的对撞能量，并且也可使对撞机储存环的尺寸小得多。虽然人们对μ子对撞机的造价尚不明了，但可以肯定，它将比别的未来加速器省钱。1

优势因为它的辐射损失小，所以束流能散就非常小，因而可对观测到的所有新共振态的质量和宽度进行非常精确的测量。此外，由于轻子-反轻子湮灭产生希格斯类标量粒子的截面是与m2成正比的，这一非常重要的过程也可以在μ子对撞机上研究。1

发展μ子对撞机的设想可追溯到1960年。当然，要设计、建造一台正负μ子束团对撞机是非常困难的，因为μ子的静止寿命只有2.2μs。但在1995年人们就认识到，采用现代理论和技术，可以生产出含有几倍于1012个μ子的粒子束团，且能在半数μ子衰变之前，将μ子所占据的相空间压缩105—106倍，并将所得的强μ子束团加速到几个TeV能量。人们还认为，如果精心设计μ子对撞机的储存环和屏蔽，就可将探测器中μ子衰变产生的电子流强本底减小到可接受的程度。1996年，100多位科学家合作提出了一份μ子对撞机可行性研究报告。1

成果及问题在目前的一份理论设计中，人们打算用高频腔既对能量较低的粒子进行加速，同时又对能量较高的粒子进行减速。π介子能衰变为一个μ子和一个中微子，μ子对撞机所需的μ粒子就是由此方法产生的，它们的静态寿命为2.6×10-8s。

在场强为7T、内径为25cm的螺线管构成的20m长衰变道的末端，每个入射质子能产生0.2个正负μ子。如果在每个加速器回旋中有两个质子束团，可用第一个束团生产和收集正μ子，用第二个生产和收集负μ子，在每个加速回旋的衰变道末端可得到正负μ子各1013个。

如果一台质子加速器的回旋周期为15Hz，那么在一个运行年中(107s)就能生产并收集到正负μ子各1.5×1021个。从衰变道引出的μ子产生一个非常弥漫的6维相空间。μ子对撞机加速器组的下一步任务是要对μ子束团进行“冷却”，即将这种弥漫μ子云变成纵横度都很小的很“明亮”的束团，这样才能对其进行加速并注入到对撞机中。由于μ子的寿命很短，所以，冷却工作必须迅速完成，而通常所用的随机冷却和电子冷却所需的时间都太长了。1

问题解决目前提出的冷却μ子的新技术称为电离冷却。它的原理是让μ子穿过一些物质，让它们通过电离损失的方式失去纵向和横向动量。然后再用高频加速腔恢复其纵向动量，这一过程经多次重复，直到μ子所占据的横向相空间大大减小为止。

在色散区加上一个楔形吸收体，也可使μ子束流的能量展宽因电离冷却而减小。将吸收体排成一个楔形的目的是使高能量的粒子比低能量粒子通过更多的物质。初步的计算表明，最初的μ子束团所占据的相空间可以减少105—106倍，直到多重库仑散射限制进一步衰减为止。在电离冷却道末端，每个μ子束团预计含有5×1012个μ子，动量约在100MeV/c的量级。

μ子束团在储存环中循环和对撞许多次以后，束流强度才会因衰变而降低。例如，在一台μ子束流能量为2TeV、周长为8km的对撞机中，μ子束团将运行1000周才会“被捕集”。新的μ子束团将以每秒钟15次的频度注入到对撞机中。1

前景要建造一台真正的μ子对撞机，必须解决许多困难问题。首先，因为高强度质子束团会毁坏固体靶，所以必须研制一种液体金属喷注靶;其次，为了得到理想的电离冷却因子，需要发展一种能在螺线管高场液氮温度下正常运行的薄铍窗高频腔。此外，还要研制液态锂长透镜，以便在冷却的最后阶段实现非常强的径向聚焦。

尽管存在许多困难，但粒子物理界对μ子对撞机的热情却越来越大。如果理论上切实可行，那么人类建造的第一台μ子对撞机将是一台“低能量的”加速器，例如，一个“希格斯玻色子工厂”。1