基本介紹
- 中文名：μ介子對撞機
- 外文名：The muon collider
- 性質：輕子-反輕子對撞機
- 優勢：減小能量損失
- 困難：冷卻μ介子
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產生
目前，理論方面認定，“超標準模型”新物理將出現在TeV量級或接近TeV量級能量的夸克-反夸克和輕子-反輕子對撞中。為了充分研究TeV能級物理，至少要有一台幾個TeV能量的強子-強子對撞機，用來廣泛尋找新物理，還需一台或更多的TeV能級輕子-反輕子對撞機，以便對新現象作精確測量。在強子對撞機方面，歐洲粒子研究中心(CERN)正在建造的大型強子對撞機將提供未來的能量前沿，這台質子-質子對撞機的質心能量是14TeV，預計於2005年投入運行。
然而，TeV能級的輕子-反輕子對撞機的前途卻不甚明朗。迄今為止，世界上的輕子-反輕子對撞機都是電子-正電子對撞機，如CERN的大型正負電子對撞機(LEP)和美國斯坦福直接對撞機(SLC)。但是，電子是非常輕的，並且在加速過程中會因輻射而損失能量。在環形對撞機中，對撞粒子的能量越高，同步輻射造成的能量損失也越大，這就限制了環形正負電子對撞機的質心能量的提高。建造直線正負電子對撞機可以減小輻射損失的影響，但由於一些技術方面的難題，實際上很難達到或超過TeV能級的能量。
一個質量為m的輕子在環中每圈的能量損失是
。很顯然，如果利用重輕子就可以解決這一問題。實際上可用的就是μ子，因為它的質量是電子的207倍。這將使輻射損失大大減小，從而達到更高的對撞能量，並且也可使對撞機儲存環的尺寸小得多。雖然人們對μ子對撞機的造價尚不明了，但可以肯定，它將比別的未來加速器省錢。
優勢
因為它的輻射損失小，所以束流能散就非常小，因而可對觀測到的所有新共振態的質量和寬度進行非常精確的測量。此外，由於輕子-反輕子湮滅產生希格斯類標量粒子的截面是與m2成正比的，這一非常重要的過程也可以在μ子對撞機上研究。
發展
μ子對撞機的構想可追溯到1960年。當然，要設計、建造一台正負μ子束團對撞機是非常困難的，因為μ子的靜止壽命只有2.2μs。但在1995年人們就認識到，採用現代理論和技術，可以生產出含有幾倍於1012個μ子的粒子束團，且能在半數μ子衰變之前，將μ子所占據的相空間壓縮105—106倍，並將所得的強μ子束團加速到幾個TeV能量。人們還認為，如果精心設計μ子對撞機的儲存環和禁止，就可將探測器中μ子衰變產生的電子流強本底減小到可接受的程度。1996年，100多位科學家合作提出了一份μ子對撞機可行性研究報告。
成果及問題
在目前的一份理論設計中，人們打算用高頻腔既對能量較低的粒子進行加速，同時又對能量較高的粒子進行減速。π介子能衰變為一個μ子和一個中微子，μ子對撞機所需的μ粒子就是由此方法產生的，它們的靜態壽命為2.6×10-8s。
在場強為7T、內徑為25cm的螺線管構成的20m長衰變道的末端，每個入射質子能產生0.2個正負μ子。如果在每個加速器迴旋中有兩個質子束團，可用第一個束團生產和收集正μ子，用第二個生產和收集負μ子，在每個加速迴旋的衰變道末端可得到正負μ子各1013個。
如果一台質子加速器的迴旋周期為15Hz，那么在一個運行年中(107s)就能生產並收集到正負μ子各1.5×1021個。從衰變道引出的μ子產生一個非常瀰漫的6維相空間。μ子對撞機加速器組的下一步任務是要對μ子束團進行“冷卻”，即將這種瀰漫μ子云變成縱橫度都很小的很“明亮”的束團，這樣才能對其進行加速並注入到對撞機中。由於μ子的壽命很短，所以，冷卻工作必須迅速完成，而通常所用的隨機冷卻和電子冷卻所需的時間都太長了。
問題解決
目前提出的冷卻μ子的新技術稱為電離冷卻。它的原理是讓μ子穿過一些物質，讓它們通過電離損失的方式失去縱向和橫向動量。然後再用高頻加速腔恢復其縱向動量，這一過程經多次重複，直到μ子所占據的橫向相空間大大減小為止。
在色散區加上一個楔形吸收體，也可使μ子束流的能量展寬因電離冷卻而減小。將吸收體排成一個楔形的目的是使高能量的粒子比低能量粒子通過更多的物質。初步的計算表明，最初的μ子束團所占據的相空間可以減少105—106倍，直到多重庫侖散射限制進一步衰減為止。在電離冷卻道末端，每個μ子束團預計含有5×1012個μ子，動量約在100MeV/c的量級。
μ子束團在儲存環中循環和對撞許多次以後，束流強度才會因衰變而降低。例如，在一台μ子束流能量為2TeV、周長為8km的對撞機中，μ子束團將運行1000周才會“被捕集”。新的μ子束團將以每秒鐘15次的頻度注入到對撞機中。
前景
要建造一台真正的μ子對撞機，必須解決許多困難問題。首先，因為高強度質子束團會毀壞固體靶，所以必須研製一種液體金屬噴注靶;其次，為了得到理想的電離冷卻因子，需要發展一種能在螺線管高場液氮溫度下正常運行的薄鈹窗高頻腔。此外，還要研製液態鋰長透鏡，以便在冷卻的最後階段實現非常強的徑向聚焦。
儘管存在許多困難，但粒子物理界對μ子對撞機的熱情卻越來越大。如果理論上切實可行，那么人類建造的第一台μ子對撞機將是一台“低能量的”加速器，例如，一個“希格斯玻色子工廠”。
