缪子束加速和对撞技术及其应用论坛

《μ（缪）子束加速和对撞技术及其应用》  论坛是中国科学院数理学部资助的，挂靠中科院理论物理研究所管理的“科学与技术前沿论坛”系列之一。举办论坛的综旨在于引起国内对μ子加速和高能正反μ子对撞等技术的关注和对有关重要物理问题予以应有的重视，促进我国学术界和决策部门对这一技术的发展态势、对相关研究的推动和所面临的问题的了解，正式认真思考我国在发展这项技术和开展相关科学研究所应该采取的策略等。

μ（缪）子与电子和τ（韬）轻子是人类已经发现的‘三代’带电轻子，它们同带一个单位的负电荷，它们与标准模型中的规范粒子弱玻色子和光子有相同的相互作用，但与夸克不同，都与颜色规范粒子胶子没有直接相互作用。μ子的质量约为电子质量的200多倍，约为τ轻子质量的十七分之一。电动力学告诉我们，在圆形轨道中运动的带电粒子会不断辐射电磁波，使带电粒子损失能量。这种辐射构成了圆形轨道中运动的带电粒子损失能量的主要途径。以致在提供确定的加速粒子的能量和确定运行在圆形环道中，带电粒子总会加速到某确定的速度极限，再也不能加速到更高的速度。又因为这一辐射损失的能量与在圆形轨道中运行的带电粒子质量的四次方成反比，因此在圆形轨道中运行的μ子与在同样轨道中运行的电子相比，辐射损失的能量约只有电子辐射能量损失的1/1600000000。所以，在圆形轨道中加速或维持μ子的运行,与加速和维持电子在同样轨道中运行相比，所损耗的能量小很多。这样，与电子相比，在同样的圆形轨道中加速和运行μ子基本不受加速和运行电子时所遇到辐射损失能量的困扰，μ子加速到辐射电磁波损失能量与输入的加速能量达到平衡点，再也无法加速的极限速度要比电子高得多。即在同样的圆形轨道中同样的输入功率，μ子可加速到很高、很高的能量。即与电子相比，维持μ子在确定的圆形轨道中运动，不需要像电子那样不断地大量补充能量，而只要约束μ子的电磁场的强度足够大和适当补充能量就可把μ子维持在圆形轨道中。这样一旦加速μ子技术过关，能够相对容易地把μ子加速到加速电子不可能达到的高能，使全新更高能量的轻子对撞物理的研究成为可能。

μ子的质量约是电子的200倍，也意味它与希格斯粒子的耦合强度是电子的约200倍，因此正反μ子在希格斯粒子的质量的能量处对撞所发生的希格斯粒子共振峰高度约是正反电子对撞时的2002=40000倍。这样正反μ子在希格斯粒子的质量的能量处对撞即成为了产生希格斯的‘希格斯粒子工厂’，是研究希格斯粒子许多性质的非常理想地方。同时μ子的质量比所有的强子（介子、重子）的质量都小，它又只与弱玻色子和光子直接作用，决定了它能够自发衰变，但衰变的寿命在微秒的数量级。在各种能量下精确测量的μ子的性质还是粒子物理发现超出标准模型‘新物理’的重要方向等。与电子一样，μ子不直接参与强相互作用（不直接与胶子耦合），但由于它的质量比电子大，使得μ子，特别是高能的μ子，穿透物质的能力很强，在带电粒子中最大。可利用μ子带电荷又有很强的穿透物质的特性发掘出各种能量（低能，中等，高能）的μ子束，无损伤地探测物理内部状况，找到其广泛的实际应用。由于μ子与电子有相同的电、弱相互作用，因此它能取代原子中的电子，成为“缪子原子”。但是由于其质量大的原因，在“缪子原子”中的缪子轨道半径只约有电子的1/200，并与原子中的其他电子没有泡利不相容的限制等，“缪子原子”可成为原子物理研究的很感兴趣的对象，……。

μ子的质量和它的电、弱相互作用特性决定了它的自发衰变和寿命约为2微秒，不像电子和质子，它在自然界只在宇宙线中存在，因此要制造出高能μ子束并令正反μ子束对撞等，首先要解决产生大量的μ子和迅速地（衰变之前）将所产生的μ束进行‘冷却’（‘冷却’是令束流中的μ子的速度趋于一致），之后的加速、对撞等，才有产生的μ子的利用等问题。即使μ子加速到高能，有相对论的洛伦兹延长效应，但其自发衰变是μ子加速过程中新的束流损失方式，并且衰变产物会对物理实验形成干扰和‘污染’实验环境等，因此，在μ子束的加速和开展高能束流对撞的物理实验，以及实现各种具体的实际应用时，无疑需要解决好这些新的、特有的问题。

目前，国外在低、中、高能μ子束的产生和利用方面已积累了丰富的经验，取得众多成就；近年来在多年的努力下，又在μ束‘冷却’技术方面取得了可喜的进展，在实现μ子束的加速和实现高能μ子对撞等技术方面又前进了一步。而我国由于一直无合适的中、高能质子加速器，没有能产生大量μ子（束）的设备和手段，总体而言，我国国内长期以来由于研究μ子（束）技术的条件缺乏，以致国内对μ子物理和有关技术的关注都很不够。本论坛期望通过学术报告和学术会议的形式聚集感兴趣的专家开展交流和研讨，推动我国的μ子物理和μ子束技术的研发工作，争取提出一些适合我国实际情况的发展设想或可行的建议，为我国的μ子物理和μ子束技术的开展做铺垫工作。