丑小鴨還是白天鵝？意外發(fā)現(xiàn)的繆子正改變世界

出品：科普中國

作者：陳思遠(yuǎn)、唐健（中山大學(xué)）

監(jiān)制：中國科普博覽

山上的來客

20世紀(jì)初，人們對微觀世界的認(rèn)知僅局限于原子中的質(zhì)子、中子和電子。1935年夏，落基山脈之巔，在派克峰4300米海拔的稀薄空氣中，兩位物理學(xué)家聚精會神地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。卡爾-戴維-安德森（Carl David Anderson, 1905—1991）和塞斯-內(nèi)德邁爾（Seth Neddermeyer, 1907—1988）搭建的云室捕捉到一些不同尋常的徑跡：它們能夠輕松地穿透重金屬板，其質(zhì)量卻介于電子與質(zhì)子之間，無法歸類。在歷時兩年、分析了數(shù)千張云室照片后，他們得出一個大膽的結(jié)論——這是一種未知的粒子。

云室中的宇宙射線徑跡照片

（圖片來源：C. D. Anderson et al, 1936, Phys. Rev. 50, 263）

起初，這種粒子被命名為“中間的粒子”，它和理論物理學(xué)家湯川秀樹曾預(yù)言的介子恰巧在質(zhì)量上相似，人們因此將其稱為“μ介子”。但與湯川理論相悖的是，它并不參與核子之間的強(qiáng)相互作用，這給當(dāng)時的學(xué)界造成了極大困惑。核磁共振之父伊西多-拉比（Isidor Isaac Rabi, 1898—1988）曾以開玩笑的口吻對此提出疑問：“這究竟是誰下單的？”而后來的研究表明，“介子”的名號另有所屬，這種新粒子實(shí)則是一種類似電子的基本粒子，因此人們將其改名為“μ子”，這也是它唯一的名稱。繆子，這位“不速之客”，就此為人類的微觀世界探索揭開了全新的篇章。

“端，體之無序而最前者也。”距今兩千多年前，墨子樸素地指出“端”是構(gòu)成物質(zhì)的、不可再分的最基本單元。目前，在幾代物理學(xué)家的不懈努力下，我們終于對物質(zhì)世界有了更加全面而深刻的認(rèn)識，其結(jié)論與墨子之說如出一轍。

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型

（圖片來源：Yinweichen, Wikipedia）

標(biāo)準(zhǔn)模型是人類迄今為止最成功的理論，它是一張宇宙的“元素周期表”。其中，構(gòu)成宇宙中所有可見物質(zhì)的基本粒子被稱為費(fèi)米子，而玻色子負(fù)責(zé)傳遞各種相互作用，它們都由不可見的場的激發(fā)而產(chǎn)生，無法再分。費(fèi)米子包括三個代際的夸克與輕子。夸克通過膠子傳遞的強(qiáng)相互作用結(jié)合在一起，形成上文提到過的質(zhì)子和中子，進(jìn)而組成原子核，第一代輕子——電子在光子傳遞的電磁相互作用下，圍繞著原子核運(yùn)動，它們共同構(gòu)成了我們觸手可及的物質(zhì)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，繆子屬于第二代輕子，其質(zhì)量是電子的207倍。然而繆子并不像電子一樣能穩(wěn)定地存在，因此不參與一般物質(zhì)的組成。它在靜止?fàn)顟B(tài)下的平均壽命為2.2微秒，如同白駒過隙，最終會通過W玻色子傳遞的弱相互作用衰變成電子和兩個中微子。況且由于質(zhì)量較大，地球上常見的核反應(yīng)，如衰變、核裂變甚至核聚變，都達(dá)不到足以產(chǎn)生繆子的能量。那安德森等人為什么能在在云室中看到繆子呢？

宇宙射線繆子示意圖

（圖片來源：PhysicsOpenLab）

原來，宇宙空間彌漫著大量被稱為“初級宇宙射線”的高能帶電粒子，其中大部分是質(zhì)子。它們接近地球時，開始與大氣層發(fā)生激烈碰撞，產(chǎn)生一簇簇的“次級射線”，并進(jìn)一步衰變成繆子。由于繆子此時能量極高，根據(jù)愛因斯坦狹義相對論中的“鐘慢”效應(yīng)，在我們的視角中，繆子的壽命“變長了”；同時，繆子較大的質(zhì)量使它具有很強(qiáng)的穿透能力。最終，繆子能夠穿過萬米高空到達(dá)地表，在我們指甲蓋大小的面積上，每分鐘都會有一個繆子穿過。甚至在世界最深地下實(shí)驗(yàn)室——中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室中，繆子能夠穿過兩千米厚的山體，在探測器中留下自己的足跡，這也是地下實(shí)驗(yàn)室的主要“噪聲”來源之一。

一鳴驚人

從20世紀(jì)40年代開始，大型加速器已經(jīng)能夠?qū)①|(zhì)子加速到極高能量，于是在宇宙射線這個“免費(fèi)”的來源外，我們擁有了人工產(chǎn)生繆子的手段。隨著研究的不斷深入，繆子，這只“丑小鴨”，開始展現(xiàn)出“白天鵝”的優(yōu)雅與力量。

1956年，李政道先生（1926—2024）和楊振寧先生（1922—2025）提出弱相互作用下宇稱不守恒。1957年，吳健雄先生（1912—1997）在低溫強(qiáng)磁場環(huán)境下的鈷-60衰變產(chǎn)物中觀察到該現(xiàn)象，促成二人獲得諾貝爾物理學(xué)獎。同年，根據(jù)楊振寧和李政道文章中的建議，理查德-加文（Richard Lawrence Garwin, 1928—2025）對繆子衰變進(jìn)行研究，佐證了吳健雄的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。加文還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在不同材料中，繆子衰變產(chǎn)生的電子分布有所不同，因此他提出：繆子可作為用于探究物質(zhì)內(nèi)部性質(zhì)的強(qiáng)大工具！這個看似不經(jīng)意的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了日后繆子技術(shù)應(yīng)用的先河。

μSR技術(shù)：材料學(xué)的聽診器。μSR（Muon Spin Rotation, Relaxation, and Resonance）是繆子自旋旋轉(zhuǎn)/弛豫/共振技術(shù)的簡稱。基于宇稱不守恒的原理，對于π介子靜止時衰變產(chǎn)生的繆子，它的自旋方向與運(yùn)動方向相反，此時的繆子如同“聽診器”一般，對材料內(nèi)部的微弱磁場十分敏感。由于繆子衰變產(chǎn)生的電子空間分布具有不對稱性，通過觀察這種不對稱性隨時間的演化，我們可以輕松推測出材料的磁場特性。μSR技術(shù)已經(jīng)在磁性、高溫超導(dǎo)、半導(dǎo)體、關(guān)聯(lián)電子材料和薄膜物理等戰(zhàn)略領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，當(dāng)面臨復(fù)雜的物質(zhì)機(jī)理難題時，繆子往往能夠幫助人們找到隱藏在原子層級的線索。

繆子成像與無損檢測：為金字塔和火山做CT。照相是一項(xiàng)古老的技術(shù)，相機(jī)能夠留下我們?nèi)庋劭杉暗挠跋瘢鳻光可以利用高能電磁波進(jìn)一步穿透物體表面，并通過計算機(jī)輔助斷層成像技術(shù)（CT），重建出物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，滿足醫(yī)學(xué)和安檢等需求。與其他成像技術(shù)相比，宇宙射線產(chǎn)生的繆子具有成本低、分布廣、穿透力強(qiáng)、對人體無害的優(yōu)勢，科學(xué)家們開始采用繆子進(jìn)行大型建筑結(jié)構(gòu)的成像，其中最為“出圈”的當(dāng)屬2017年報道的一項(xiàng)工作：研究人員利用繆子成像技術(shù)，在著名的胡夫金字塔中首次發(fā)現(xiàn)了一條30米長的密室，而自十九世紀(jì)來，這是任何其他技術(shù)手段都無法實(shí)現(xiàn)的。除此之外，繆子成像還成功應(yīng)用于火山、礦山、隧道、樓體等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的監(jiān)測中；更有趣的是，繆子在和不同物質(zhì)相互作用時會發(fā)出特征信號，由此能分析出樣品的詳細(xì)成分，還可以和繆子成像結(jié)合起來，對大型車輛中的核材料進(jìn)行安檢，甚至監(jiān)視核反應(yīng)堆運(yùn)行狀況，可謂是擁有一雙“火眼金睛”！

利用繆子斷層成像進(jìn)行車輛安檢掃描

（圖片來源：左圖—Los Alamos Research Quarterly；右圖—INFN）

繆子導(dǎo)航定位：無所不至的信使。導(dǎo)航APP已經(jīng)成為了我們生活中不可或缺的一部分，它們本質(zhì)上是通過覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）進(jìn)行定位，如我國的北斗系統(tǒng)和美國的GPS系統(tǒng)。然而電磁波信號易受到墻體、地層、水體的遮擋，并且有被干擾和攔截的風(fēng)險。宇宙射線繆子穿透性強(qiáng)，不受人為操控，因此，在深海、深地等極端環(huán)境下，或?qū)ΡＣ苄砸筝^高的前提下，繆子將是合適的導(dǎo)航定位信息載體。近年來，美國海軍研究署和日本東京大學(xué)等機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行不依賴衛(wèi)星的繆子導(dǎo)航定位研究，據(jù)相關(guān)研究論文報道，定位試驗(yàn)的精度可達(dá)到厘米量級。

繆子催化核聚變：終極能源之夢。在太陽內(nèi)部，較輕原子核在超高溫高壓的條件下間距被壓縮至極小，進(jìn)而聚變成一個較重原子核、釋放巨大的能量，這是養(yǎng)育地球萬物的能量來源。核聚變幾乎不產(chǎn)生核廢料、地球上可用的燃料近似為無限多，在能源危機(jī)的陰影下，駕馭核聚變反應(yīng)是人類一直以來的夢想。目前，可控核聚變的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)方案是將燃料加熱至上億度，進(jìn)而發(fā)生“熱核反應(yīng)”，這對工程設(shè)計提出了巨大挑戰(zhàn)。為了尋找實(shí)現(xiàn)“冷核反應(yīng)”的可能性，科學(xué)家提出在常溫條件下利用繆子催化核聚變：由于繆子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，原子核俘獲繆子后形成的繆原子也將遠(yuǎn)小于常規(guī)原子，將增加原子發(fā)生聚變的機(jī)會。1956年，美國物理學(xué)家路易斯-阿爾瓦雷斯（Luis Walter Alvarez, 1911—1988）曾首次觀測到了這種現(xiàn)象，但走向?qū)嶋H應(yīng)用前還有諸多挑戰(zhàn)，至今相關(guān)研究仍在持續(xù)。

中國“人造太陽”EAST托卡馬克裝置實(shí)驗(yàn)照片

（圖片來源：Xiang Gao et al 2017 Nucl. Fusion 57 056021）

繆子與新物理：探尋宇宙的真相。雖然標(biāo)準(zhǔn)模型取得了巨大的成功，但它并不能解釋“中微子為什么有質(zhì)量？”、“宇宙中的反物質(zhì)為什么遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于物質(zhì)？”等問題；也無法將宏觀與微觀的各種現(xiàn)象完全統(tǒng)一起來，給出宇宙起源的終極答案。中微子分為三種類型：電子中微子、繆子中微子和陶子中微子，它們也被稱作中微子的“味道”。科學(xué)家在1998年至2001年的一系列實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了“中微子振蕩”現(xiàn)象，表明中微子具有質(zhì)量，且它們的味道可以發(fā)生改變。

中微子振蕩

（圖片來源：Higgstan）

然而，在標(biāo)準(zhǔn)模型中，電子、繆子、陶子這些帶電輕子的味道又是嚴(yán)格守恒的。科學(xué)家認(rèn)為，這種守恒不一定是必然的，因此“帶電輕子味道破壞（CLFV）過程”是下一個新物理現(xiàn)象的熱門候選者。近幾十年來，國際研究人員對CLFV過程進(jìn)行了大量高精度測量，相關(guān)工作集中在繆子到電子的直接衰變或轉(zhuǎn)化過程。近年，中山大學(xué)也提出了“正反繆子素轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（MACE）”，預(yù)計將實(shí)驗(yàn)靈敏度提升100倍以上，期望觀測到相關(guān)新物理現(xiàn)象。此外，國際學(xué)界基于繆子的獨(dú)特優(yōu)勢還提出了“繆子對撞機(jī)”計劃。由于帶電粒子在偏轉(zhuǎn)時會釋放同步輻射，它們的能量將會降低，這不利于提升電子對撞機(jī)的能量；而繆子較大的質(zhì)量使其受到的影響極小，能夠?qū)崿F(xiàn)超高的對撞能量。也許在不久的未來，這種超級對撞機(jī)將有能力讓我們更加接近基本物理問題的答案。

正反繆子素轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置概念

（圖片來源：中山大學(xué)物理學(xué)院、中山大學(xué)繆子科學(xué)與技術(shù)平臺（籌））

路漫漫而修遠(yuǎn)兮

1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)，并發(fā)明制造了首個發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的雛形；1897年，湯姆孫首次發(fā)現(xiàn)電子……直到現(xiàn)在，手機(jī)電腦等電子產(chǎn)品已走入尋常百姓家。在兩百多年的歷程中，對電子的研究幫助人們從工業(yè)時代跨越到信息時代，人們的生活水平獲得了極大提高。

我們能夠認(rèn)為，若沒有科學(xué)家共同對自然界本質(zhì)愈發(fā)深入的探索，就無法對相關(guān)現(xiàn)象產(chǎn)生愈發(fā)精準(zhǔn)的認(rèn)識，也就無法利用相應(yīng)原理來發(fā)展技術(shù)應(yīng)用、造福人類的日常生活；同時，這些技術(shù)應(yīng)用又打造了科學(xué)家手中高效且可靠的研究工具，推動前沿科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。

目前全世界現(xiàn)有的繆子源設(shè)施，集中在美國、加拿大、英國、瑞士和日本。過去，我國缺乏支持建設(shè)繆子源的質(zhì)子或重離子加速器條件，若想在加速器上進(jìn)行研究，科學(xué)家們只能通過國際合作提交申請，極大限制了我國在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。得益于近年來我國經(jīng)濟(jì)與科技實(shí)力與日俱增，中國加速器驅(qū)動嬗變研究裝置、強(qiáng)流重離子加速器裝置、中國散裂中子源和上海光源等“大國重器”紛紛落地，這些大科學(xué)裝置上均有繆子源建設(shè)計劃提出，預(yù)計性能趕超國際水平。

建設(shè)中的強(qiáng)流重離子加速器裝置（HIAF）和加速器驅(qū)動嬗變系統(tǒng)（CiADS）

（圖片來源：中國科學(xué)院近代物理研究所）

如今，距繆子的首次發(fā)現(xiàn)不過一百年，作為電子的“兄弟”，繆子物理研究的旅程才剛剛開始。隨著我國相關(guān)大科學(xué)裝置與繆子源設(shè)施的建設(shè)，我們未來一定能通過繆子發(fā)現(xiàn)更多物理現(xiàn)象、發(fā)展出更加先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用，使我國在加速器技術(shù)、粒子探測技術(shù)等重要領(lǐng)發(fā)展方向上占據(jù)優(yōu)勢地位，推動人類進(jìn)一步加深對微觀世界及宇宙的認(rèn)識。下一個將改變世界的“意外發(fā)現(xiàn)”，或許正隱藏在今天的某個實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)中，等待著我們敞開懷抱，去找到它天鵝般的高貴潛質(zhì)。

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文章來源：科普中國