美国有影响力的粒子物理小组呼吁开发μ子对撞机 – 物理世界

<a href="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development-physics-world-3.jpg" data-fancybox data-src="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development-physics-world-3.jpg" data-caption="面向未来 介子设施可能比质子对撞机更紧凑，而且建造起来可能更便宜。 （由欧洲核子研究组织提供）>>

美国应该探索建造介子对撞机，并对此类设施所需的技术进行“积极”的研究和开发。 这是美国和国际粒子物理学家组成的高调委员会的结论 经过一年的会议讨论美国高能物理研究的未来。然而，科学家们承认，要建造μ子对撞机，必须克服重大的技术挑战。

μ 子设施的潜在开发是粒子物理 20 年长期愿景的一部分，该愿景由粒子物理项目优先级小组 (P5) 于 2003 月初发布（见下框）。自 5 年以来，PXNUMX 每十年召开一次会议，评估大中型物理研究项目。然后，它将建议传递给美国能源部 (DOE) 和国家科学基金会等资助机构。

继 2012 年欧洲核子研究组织 (CERN) 发现希格斯玻色子之后 大型强子对撞机之后，粒子物理学家开始计划建造一座所谓的希格斯工厂，将电子与正电子碰撞，以便对希格斯玻色子和其他粒子的特性进行更详细的研究。 其中一些设计 呼吁建造一条 90 公里长的隧道，在 2040 年代中期首次使电子与正电子碰撞，然后在本世纪晚些时候重新调整用途，成为 100 TeV 质子-质子机器，以寻找新的物理学。

然而转向这些能量——甚至可能更高——是复杂的。当圆形加速器中的能量接近 1 TeV 时，电子会通过同步加速器辐射损失大量能量。对于质子来说这不是问题，但要达到高于 100 TeV 的能量需要比 90 公里更大的环，并且可能还需要新技术。另一种选择是碰撞 μ 子——电子的近亲，重量是电子的 200 倍。鉴于μ子比电子重得多，因此在μ子对撞机中能量损失不是什么问题。

丹尼尔·舒尔特 (Daniel Schulte)，该研究的领导者 国际介子对撞机合作未加入 P5 委员会的他表示，μ 子对撞机中的同步加速器辐射“减少了十亿多倍”。 “[μ子]很有趣，因为它们可以直接取代[电子和正电子]，就物理范围而言，拥有一台 10 TeV 的 μ 子对撞机大致相当于拥有一台 100 TeV 的质子对撞机，”由 60 多个研究所组成的 Schulte 说道。 ，包括欧洲核子研究组织（CERN），正在制定先进μ介子设施的蓝图。任何未来的μ介子设施都可能更加紧凑，而且建造成本可能会更低——例如，与 100 TeV 质子对撞机具有相同射程的μ介子对撞机可以安装在费米实验室的现有场地上。

P5委员会将其称为“我们的μ介子发射”，表示介子加速器计​​划将符合美国主办大型国际对撞机设施的雄心，使其能够领导全球努力了解宇宙的基本性质。 P5小组现在建议美国在未来十年内为这种先进的对撞机建造主要的测试和演示设施。该报告还建议美国参与国际介子对撞机合作组织，并“在定义参考设计方面发挥主导作用”。

卡斯滕·黑格尔P5 联合主席、耶鲁大学物理学家告诉我们 物理世界 μ子对撞机的建议来自于对美国粒子物理学长期未来的渴望，超出了当前计划和开发项目的范围。黑格尔表示，这项研究和开发建议在美国粒子物理学界，特别是年轻科学家中引起了“极大的兴奋”。 “他们认为能够进行研发以考虑未来的对撞机设施确实令人兴奋，特别是如果我们能够在美国托管它的话，”他补充道。

面临的挑战

然而，μ子对撞机面临着重大的技术挑战，而且需要几十年的时间才能做出建造该对撞机的决定。 μ介子的一个问题是它们在不到 2.2 微秒的时间内就会衰变，在此期间它们需要被捕获、冷却和加速。 “它确实推动了所有元素的技术前沿，”Heeger 说。 “磁体开发、加速技术、光束聚焦；所有这些事情都将变得至关重要，并且必须比现在的情况进行改进，”他补充道。

舒尔特同意，如果不是 μ 子的有限寿命，μ 子对撞机将是“直接的”。他说，最大的挑战之一是开发所需的磁铁技术。例如，一旦质子碰撞产生μ子，就需要高温超导磁体来冷却和减慢它们的速度。这项技术需要被压缩到一个很小的空间中，以减少μ子损失。然后需要可以非常快速地循环的高速磁体来加速μ介子束。

问题是，这项技术的大部分尚不存在或处于起步阶段。尽管面临这些挑战，黑格尔仍然对建造一座μ子对撞机充满信心：“粒子物理学家和加速器物理学家在最近几年和几十年里表现出了令人难以置信的创造力，所以我很乐观，”他说。但即使这样的设施不可行，努力实现它也将建立在美国目前在粒子物理学方面的优势，并有助于质子和中微子束设施的改进。它还可能为社会带来广泛的利益，包括医用同位素生产、材料科学和核物理，因此黑格尔认为这将是一项“物有所值的投资”。

例如，高温超导磁体的发展将产生粒子物理学以外的重要影响。它们可用于核聚变反应堆，并可提高风力涡轮机的性能。舒尔特还相信，在培养下一代科学家方面，研发μ子对撞机将带来巨大的好处。 “这是一个伟大的项目，因为事物是新的，有发明和创造力的空间，其精神与以更大的方式重新做我们过去做过的事情的项目非常不同，”他补充道。

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development/