|作者：唐 健1李 亮2袁 野3,4,?

(1 中山大學(xué))

(2 上海交通大學(xué))

(3 中國科學(xué)院高能物理研究所)

(4 中國科學(xué)院大學(xué))

本文選自《物理》2021年第4期

摘要尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理是當(dāng)前粒子物理學(xué)最重要的任務(wù)之一,。繆子物理實驗,，包括帶電輕子味道破壞,，繆子反常磁矩和電偶極矩，繆子素到反繆子素轉(zhuǎn)換等是高強度前沿新物理研究的熱點領(lǐng)域,。文章介紹了國際上在這一領(lǐng)域開展實驗的現(xiàn)狀和展望,，特別的，介紹了未來在中國開展相關(guān)實驗的前景,。

01

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型理論認為物質(zhì)世界由三代夸克,、三代輕子和傳遞相互作用的玻色子組成。標(biāo)準(zhǔn)模型自建立以來在描述強相互作用,、電磁與弱相互作用現(xiàn)象方面經(jīng)受住了全球粒子物理學(xué)家使用各種高精度實驗測量發(fā)起的極限挑戰(zhàn),，理論計算結(jié)果與實驗觀測結(jié)果幾乎完美符合。隨著希格斯(Higgs)粒子在大型強子對撞機(LHC)上的發(fā)現(xiàn)[1],，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的所有基本粒子都已在實驗中觀測到,，這毫無疑問宣告了標(biāo)準(zhǔn)模型的巨大成功。但是標(biāo)準(zhǔn)模型遠遠稱不上完美,，一些重大基礎(chǔ)問題在標(biāo)準(zhǔn)模型的框架內(nèi)難以解決或者給出解釋,，比如：規(guī)范等級問題(gauge hierarchy)，費米子味疑惑(flavor puzzle),，以及是否存在強,、電磁與弱作用的大統(tǒng)一理論，等等,。尤其是標(biāo)準(zhǔn)模型的CP破壞機制不足以解釋宇宙中正反物質(zhì)不對稱性,，它也不能提供暗物質(zhì)的候選粒子，不包括暗能量,。因此尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理,，成為當(dāng)前粒子物理學(xué)最前沿和最重要的課題之一,。

粒子物理學(xué)在三個研究前沿開展著新物理的尋找工作：高能量前沿,、高強度前沿和宇宙學(xué)前沿。高能量前沿使用不斷提高的質(zhì)心系能量,，通過觀測極高能量下粒子相互作用的過程和產(chǎn)物,，通過發(fā)現(xiàn)新的粒子和作用過程來尋找新物理的直接證據(jù)。典型代表是LHC以及未來擬建設(shè)的環(huán)形正負電子對撞機(CEPC)和國際線性對撞機(ILC)等大型粒子對撞機上的實驗,；高強度前沿則在相對低的能量區(qū)間使用不斷提高的束流強度,，在極高強度下獲得大統(tǒng)計量的數(shù)據(jù)樣本，利用不斷突破極限的精確測量去尋找新物理模型預(yù)言的稀有過程,，通過高精度測量粒子和相互作用的基本物理參數(shù)對標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)期值進行驗證,，從而掲示在極高能標(biāo)處的新物理規(guī)律。其代表性成就是電子反常磁矩實驗觀測值與理論計算值達到了物理學(xué)理論和實驗符合精度的最高標(biāo)桿——小數(shù)點后11位相同,。宇宙學(xué)前沿觀測宇宙的結(jié)構(gòu)和演化,，建立大尺度宇宙現(xiàn)象與微觀物理過程的聯(lián)系。宇宙中存在暗物質(zhì),、暗能量這一猜測便正是因為宇宙學(xué)觀測結(jié)果與現(xiàn)有物理模型不符,，從而有必要引入新的質(zhì)量和能量來源,。

在這三個前沿中，高強度前沿,，特別是其中帶電輕子區(qū)的尋找具有突出的意義,，這是因為：首先，標(biāo)準(zhǔn)模型的三代夸克和三代輕子中,，夸克部分的味道混合已經(jīng)得到實驗證實,，相關(guān)工作獲得了2008年諾貝爾獎。中性輕子也就是中微子味道的混合(中微子振蕩)同樣已經(jīng)被實驗完全觀測到,，相關(guān)工作獲得2015年諾貝爾獎,。物理學(xué)界普遍認為帶電輕子存在味道混合是自然的推論，因此進行帶電輕子味道破缺(cLFV)的實驗有著充分的理由,；其次,，近幾年來，在粒子物理實驗中看到一些跡象,，暗示實驗測量值可能偏離了標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言值,，例如：繆子反常磁矩實驗(Muong-2)的測量值[2]與其標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言值[3]存在 3.7σ的偏差，B介子的半輕衰變中存在輕子味道普適性破壞的跡象[4]等等,。值得注意的是,，這些偏離都與輕子有關(guān)，指向帶電輕子部分可能存在新物理,；此外,，高強度前沿與高能量前沿的實驗所起的作用是相互補充的。在許多情況下,，高精度實驗探測的有效能量標(biāo)度甚至要遠遠超出高能加速器所能達到的能量,。當(dāng)前技術(shù)條件下高強度前沿對新物理的檢驗其有效能量標(biāo)度可以達到 104TeV，而目前最高能量的對撞機LHC其質(zhì)心系能量為 14 TeV,，即使進行預(yù)期中的重大升級之后也只能達到 27 TeV,。因此，繆子物理實驗成為國際上最前沿的熱點研究領(lǐng)域之一,。

02

繆子(muon)又稱μ子,，于1936年由美國加州理工學(xué)院的物理學(xué)家Carl D. Anderson和Seth Neddermeyer在宇宙射線實驗中發(fā)現(xiàn)[5]。他們發(fā)現(xiàn)這種粒子帶有負電荷,，其質(zhì)量比電子大,，比質(zhì)子小，因而將其稱為μ介子,，并以為這正是日本物理學(xué)家湯川秀樹(Yukawa)所預(yù)言的強相互作用的媒介子,。隨著實驗結(jié)果的不斷涌現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)μ子并不參與強相互作用,，其性質(zhì)和后續(xù)發(fā)現(xiàn)的各種介子完全不同,。最終,，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)模型建立時，繆子歸類為輕子中的一種,，如圖1所示,。繆子是構(gòu)成世界最基本的粒子之一,，而各種介子反而不是最基本的粒子,，是由參與強相互作用的兩個夸克組成的束縛態(tài)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子(來自維基百科)

繆子和其反粒子分別帶有負電荷(μ-)和正電荷(μ ),，自旋為1/2,，靜止質(zhì)量為 105.658 MeV/c2，約為電子質(zhì)量的207倍,?？娮雍推渌麕щ娸p子一樣帶有一個單位電荷，參與電磁和弱相互作用,，與它們相對應(yīng)的不帶電的中微子(νe,，νμ和ντ，以及它們的反粒子)則只參與弱相互作用,。在三代輕子中,，電子是穩(wěn)定粒子不發(fā)生衰變；繆子會衰變?yōu)殡娮忧矣捎谫|(zhì)量不夠大,，不能衰變成強子,。繆子靜止壽命為2.2μs,，在高速運動狀態(tài)下會由于相對論效應(yīng)而延長壽命,；陶子(Tau)又稱τ子，其壽命為 2.9×10-13s,，壽命短到在實驗中不能被直接探測到,。陶子靜止質(zhì)量為 1776.86 MeV/c2，可以衰變到強子,。只有電子和繆子是實驗中可以直接探測的末態(tài)輕子粒子。

由于不參與強相互作用并且不會衰變到強子,，與電子和μ子(eμ)輕子相關(guān)的物理過程具有兩個重要的特點：(1)理論計算可以達到很高的精度,，甚至達到或超過實驗測量的精度，從而可以進行理論與實驗符合程度的高精度驗證,；(2)相互作用過程末態(tài)構(gòu)成簡單清晰,，信號重建質(zhì)量高，本底易于排除,，從而在實驗上可以達到最高的測量精度,。正是由于這兩個特點,，與eμ輕子相關(guān)的物理過程在高能量前沿和高強度前沿的粒子物理實驗分析之中的運用非常普遍，常用于具有挑戰(zhàn)性的探索型實驗,，也用于復(fù)雜實驗的刻度和校準(zhǔn),。事實上，首先證實Higgs粒子存在的兩個物理過程之一便是末態(tài)為4個eμ輕子的ZZ衰變(HZZ4μ/2μ2e/4e),。這兩個特點使得繆子物理成為在高強度前沿進行高精度新物理尋找和測量的理想環(huán)境,。

繆子具有 2.2 μs 壽命，這個時間尺度非常特別,，在不穩(wěn)定粒子的壽命中僅比中子短,，是它在應(yīng)用中的重要優(yōu)勢。其壽命足夠短,，允許人們通過其衰變對物理特性和衰變過程進行充分的研究,；其壽命又足夠長，使得人們能夠以相對經(jīng)濟的方式大量產(chǎn)生,、收集,、加速或者減速以獲得高強度的繆束流，這為精確測量提供了理想的實驗條件,。此外,，繆子(μ-)可以與原子核束縛成繆子原子(μ-N)，反繆子(μ )可以和電子束縛成繆子素(muonium,，簡稱Mu),。繆子,、繆子原子,、繆子素等相關(guān)的物理研究課題非常豐富，并且具有重大的物理意義,。典型的與繆子相關(guān)的基礎(chǔ)前沿物理研究包括：帶電輕子味道破壞(cLFV)過程的尋找,，繆子反常磁矩(Muong-2)和電偶極矩(EDM)的測量，繆子素相關(guān)物理的研究等,。

03

制備方法

在標(biāo)準(zhǔn)模型中,，不同代夸克之間通過帶電流發(fā)生弱相互作用，而同電荷夸克之間味改變的中性流過程只發(fā)生在量子圈圖水平,，幾率相對很小,。因此，味改變中性流過程一直是精確檢驗標(biāo)準(zhǔn)模型,、尋找新物理的黃金過程,。實驗上已經(jīng)在K、B,、D等介子系統(tǒng)中觀測到夸克中性流弱作用過程,。中微子振蕩實驗表明不同代輕子之間也會發(fā)生弱相互作用,。但是，實驗上至今沒有觀測到帶電輕子之間發(fā)生味改變的物理過程,，比如μeγ,。如果將標(biāo)準(zhǔn)模型做最小擴充，以容納中微子質(zhì)量和不同代輕子之間的帶電流弱作用,，上述μeγ衰變的分支比大約是10-54水平[6],，完全不可能在實驗上觀測到。因此,，如果實驗觀測到這類過程,，或者能給出更好的上限，將會有力推動超出標(biāo)準(zhǔn)模型最小擴充的新物理研究,。

已知的標(biāo)準(zhǔn)模型框架內(nèi)繆子的三種衰變模式如下：

超出標(biāo)準(zhǔn)模型新物理預(yù)言的主要繆子cLFV過程除了μeγ,，還有μeee和繆子—電子轉(zhuǎn)換過程μNeN。事實上,，在繆子發(fā)現(xiàn)之后不久,，相關(guān)的實驗就已經(jīng)開展。1947年Hincks和Pontecorvo通過分析宇宙射線中的繆子得到μeγ的第一個分支比上限[7],。之后一系列的實驗測量精度不斷提高,，其歷史進展如圖2所示。目前國際上對cLFV過程最精確的結(jié)果由瑞士保羅謝勒研究所(PSI)的繆子電子光子實驗(MEG)于2017年通過μeγ過程測得,，其90%置信水平分支比上限為(μ e γ)-13[8],。

圖2 繆子物理cLFV實驗結(jié)果歷史進展

繆子束流強度是制約實驗精度提高的主要因素。目前加速器獲得繆子束流的方式是通過高能質(zhì)子束流打靶產(chǎn)生π介子,，然后收集π介子衰變產(chǎn)生的繆子[9],。PSI的回旋加速器可以產(chǎn)生目前世界上最高功率 1.5 MW 的 590 MeV/c動量連續(xù)波質(zhì)子束流。通過質(zhì)子打靶并從側(cè)向收集在2016年獲得最高強度為 8×107μ /s,，動量為28 MeV/c的連續(xù)波表面μ 束流,，正在通過改進束線以將強度提高到 108μ /s 以上。其下一步計劃是在2025年建設(shè)一條新的強度達到 1010μ /s 的束線,。依托這一條件PSI正在建設(shè)下一代μeγ探測實驗MEGII[10],，實驗探測器如圖3所示。

圖3 MEGII探測器設(shè)計

MEGII與MEG采用類似的探測器設(shè)計：繆子停止靶位于探測器中心,，超導(dǎo)磁鐵提供從中心沿Z向強度逐漸下降的梯形磁場,。靜止繆子衰變后產(chǎn)生的正電子首先被圓柱形漂移室探測，偏轉(zhuǎn)半徑逐漸加大從而在兩端穿出漂移室擊中像素型時間計數(shù)器,。光子由外部的液氙量能器探測。

MEGII探測器分辨率相比MEG在各個方面均有一倍左右的提高,，例如漂移室位置分辨由 210 μm 提高到 120 μm,，時間計數(shù)器時間分辨由 70 ps 提高到 35 ps,，量能器能量分辨由2.4%提高到1.1%，再加上預(yù)期使用兩倍的累積繆子束流強度,，物理目標(biāo)為2023年將實驗靈敏度提高一個量級到4×10-14,。

μeee過程目前最好的結(jié)果是PSI的SINDRUM實驗測得，在90%置信水平下分支比上限為(μ e e-e )-12[11],。依托于MEGII同樣的連續(xù)波表面μ 束流,，PSI正在籌建下一代μeee探測實驗Mu3e[12]。其實驗裝置設(shè)計如圖4所示,?？娮油Ｖ拱型瑯游挥谔綔y器中心，衰變后產(chǎn)生的正電子和電子在 1 T 的均勻磁場中偏轉(zhuǎn),，首先擊中2層內(nèi)部硅像素探測器,，然后穿過閃爍光纖再擊中2層外部硅像素探測器。末態(tài)粒子在真空中偏轉(zhuǎn)近一周后再次擊中硅像素探測器和閃爍光纖或者閃爍條探測器,。

圖4 Mu3e探測器設(shè)計

由于末態(tài)為3個帶電粒子,，偶然符合本底計數(shù)很高，因此Mu3e需要大面積,、高性能,、低物質(zhì)量的硅像素芯片以及高時間分辨的閃爍探測器來壓低本底。其探測器技術(shù)尚在研發(fā)之中,，物理目標(biāo)為在2025年達到10-15靈敏度,，之后可能開展二期實驗以達到10-16靈敏度。

μeγ和μeee實驗雖然有望將測量上限進一步降低1—2個數(shù)量級,，但由于需要探測衰變產(chǎn)生的多末態(tài)粒子,，受探測器精度和偶然符合本底的影響，不能充分利用束流強度的提高,，在技術(shù)上很難實現(xiàn)測量精度的進一步大幅提升,。μNeN與衰變不同，被原子核俘獲的繆子與核交換一個虛光子或者未知的中性玻色子實現(xiàn)繆子到電子的直接轉(zhuǎn)換,，如圖5所示,。

圖5 新物理模型下μNeN轉(zhuǎn)換過程

繆子電子轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的末態(tài)粒子是一個單能的電子，能量大小與所選擇的靶材料有關(guān),。探測單能電子不受偶然符合本底影響,，可利用的束流強度沒有限制，同時還可以利用脈沖束流的時間信息排除束流本底,，因此是更具實驗前景的繆子cLFV過程,。目前最精確的μNeN結(jié)果為SINDRUM II實驗測得的(μ-Aue-Au)-13[13]。

圖6(a)傳統(tǒng)側(cè)面收集，次級粒子無約束直線傳播,，僅有很小部分能進入輸運束線,；(b)磁鐵內(nèi)收集，次級粒子在磁場約束下偏轉(zhuǎn),，從而高效率進入輸運束線

日本J-PARC的COMET[14]和美國Fermilab的Mu2e[15]正在開展μNeN過程的進一步尋找,，兩者的實驗?zāi)繕?biāo)均為單事例靈敏度的測量精度達到10-17，比SINDRUM II的上限測量值改善4個數(shù)量級,。物理目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)如此大跳躍的根本原因是一種創(chuàng)新的粒子俘獲技術(shù)于2011年在日本大阪大學(xué)MUSIC實驗[16]中得到驗證,。與MEGII和Mu3e采用的將磁鐵放置在質(zhì)子靶側(cè)面收集次級粒子的傳統(tǒng)俘獲技術(shù)不同，這種在中微子工廠設(shè)計中提出的方案直接將質(zhì)子靶置于產(chǎn)生高強度磁場的超導(dǎo)磁鐵內(nèi)部,，利用高強度的磁場對帶電次級粒子進行俘獲并輸運,，可以將收集效率提高3個數(shù)量級，從而大幅度提高了可利用的繆子束流強度,。兩種收集方式的原理見圖6,。基于這一創(chuàng)新技術(shù),，COMET與Mu2e的實驗裝置設(shè)計見圖7,。

二者采用相同的設(shè)計思想：利用沿Z向 5 T3 T 逐漸下降的高強度磁場進行繆子的反向收集從而排除正向束流帶來的本底；繆子經(jīng)過彎曲的輸運線進行動量篩選,，排除動量大于 75 MeV/c的高能繆子,，進一步壓低束流本底；使用沿Z向排列的一系列繆子停止靶來提高俘獲繆子的效率,。均使用鋁靶,，末態(tài)電子能量為 104.973 MeV；使用晶體量能器和稻草管探測器進行末態(tài)單能電子的徑跡重建和粒子鑒別,。COMET還在電子輸運段采用了進一步彎曲的設(shè)計以排除繆子衰變產(chǎn)生的低能電子,。

圖7 (a) COMET二期實驗設(shè)計；(b)Mu2e實驗設(shè)計

COMET將實驗分為兩期,，二期使用 56 kW,，8 GeV/c的質(zhì)子束流獲得 2×1010μ-/s 繆子束流。一期則只使用 3 kW 質(zhì)子束流并建設(shè)90°彎曲的繆子輸運線,，使用漂移室作為徑跡探測器,。目前COMET實驗已經(jīng)完成一期的束流輸運線和探測器建設(shè)，并計劃于2023年開始一期的實驗研究,，預(yù)期物理靈敏度為10-15,，之后開始二期建設(shè)和運行。Mu2e實驗使用 8 kW,，8.9 GeV/c的質(zhì)子束流,，目前正在進行實驗設(shè)施建設(shè),，計劃在2022年開始安裝，2025年初開始運行,。兩者均有計劃未來進行升級以達到10-18量級靈敏度,。

04

繆子反常磁矩是繆子的基本物理特性之一,，它反映了繆子內(nèi)稟磁矩與其自旋角動量之間的微妙關(guān)系,。“g”代表旋磁比(gyromagnetic ratio),，為粒子磁矩與自旋角動量之間的比值,。對于繆子，“g”的實驗測量值與經(jīng)典物理的預(yù)期值“2”之間有著0.1%左右的差距(gμ=2.0023318418)[2],，這一細微的差距被稱為繆子反常磁矩,，而這也是繆子反常磁矩實驗名稱“Muong-2”的由來。

繆子在磁場中運動時由于內(nèi)稟磁矩,、自旋角動量和磁場的相互作用將產(chǎn)生進動,，就好比傾斜旋轉(zhuǎn)的陀螺在重力場的作用下會發(fā)生進動一樣?？娮臃闯４啪氐拇笮】梢酝ㄟ^對進動頻率和磁場強度的測量而得到,。那么繆子反常磁矩的來源是什么呢？物理學(xué)家認為這背后有著深刻的物理背景,，涉及到時空的深層次結(jié)構(gòu),。粒子和宇宙萬物所處的空間并不是靜態(tài)的，即便是所謂的“真空”也并不“空”,。真空中存在著大量的虛粒子(也被稱為“量子泡沫”),，它們在極短的時間尺度和極小的空間尺度內(nèi)不斷產(chǎn)生又不斷湮滅。一般的實驗探測手段很難捕捉到虛粒子的蛛絲馬跡,，但是在繆子附近產(chǎn)生的虛粒子會在極短的時間內(nèi)與繆子發(fā)生相互作用并改變繆子的進動頻率,。這些虛粒子包括比較輕的電子、光子,，也有比較重的W/Z和上帝粒子希格斯粒子等等,，甚至還可能包括很多未知的新奇粒子。人們可以通過測量繆子反常磁矩來發(fā)現(xiàn)新的未知的相互作用,，進而尋找新粒子和新物理,。通過基于標(biāo)準(zhǔn)模型的一系列復(fù)雜計算，繆子反常磁矩的理論預(yù)言精度可以達到千萬分之3.5[3],。如果實驗測量精度也能達到相同的水平,，那么人們就可以對比理論值和實驗值進行精確檢驗。實際上,，前期在美國布魯克海文實驗室(BNL)進行的繆子反常磁矩實驗中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了實驗值和理論值有著大于3倍標(biāo)準(zhǔn)平方差的差距(被稱為“繆子反常磁矩疑難”),，這在統(tǒng)計學(xué)上意味著實驗結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)模型不相符的概率已經(jīng)達到了99.7%以上。即便如此，仍然不能宣布標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)失敗或者發(fā)現(xiàn)了新物理,，因為這一差距還達不到“5倍標(biāo)準(zhǔn)平方差”——粒子物理界的“黃金判據(jù)”標(biāo)準(zhǔn),。進一步提升結(jié)果可信度的最佳方法就是提高實驗測量精度，正在美國費米實驗室(FNAL)進行的最新繆子反常磁矩實驗的測量精度可達千萬分之1.5[17],，有望對標(biāo)準(zhǔn)模型發(fā)起終極挑戰(zhàn)并解答持續(xù)20年之久的繆子反常磁矩疑難問題,。

費米實驗室的繆子反常磁矩實驗通過束流線把加速器產(chǎn)生的繆子引導(dǎo)到放置于總控制室內(nèi)的繆子儲存環(huán)(Storage Ring)中(圖8)進行測量。

圖8 (左)繆子反常磁矩實驗總控制室(MC-1)的外觀,；(右)置于總控制室內(nèi)部的繆子儲存環(huán)(來源：https://muon-g-2./ )

實驗大約每秒鐘進行12次質(zhì)子打靶,，每次注入約1012個質(zhì)子。實驗預(yù)計運行3年采集約1萬億個能量為 3 GeV 左右的高能正繆子,。通過對正繆子衰變產(chǎn)生的正電子進行頻率計數(shù)測量并排除各種復(fù)雜的背景(圖9),，實驗精度可達到千萬分之一左右的水平。這將是世界上最精確的繆子反常磁矩實驗,，也是世界上對標(biāo)準(zhǔn)模型的最嚴格檢驗之一,。繆子反常磁矩實驗在精確檢驗標(biāo)準(zhǔn)模型和尋找新物理方面一直起著關(guān)鍵性的作用,，推動了標(biāo)準(zhǔn)模型的建立并使其不斷完善,。繆子反常磁矩的高精度測量是非常靈敏的新物理探針,，對各種新物理模型有著強大的鑒別能力,，與高能量前沿的實驗結(jié)果互為補充。近日費米實驗室g-2實驗組公布了繆子反常磁矩的測量結(jié)果[18],，偏離標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言達3.3倍標(biāo)準(zhǔn)差,，確認了早年BNL實驗結(jié)果。該結(jié)果是迄今為止最精確的測量結(jié)果,，為繆子物理領(lǐng)域新物理的發(fā)現(xiàn)提供強有力的證據(jù),，也為下一步的精確測量和研究提供指引。

圖9 繆子衰變所得電子的計數(shù)率隨時間的分布圖(電子能量大于能量閾值),，根據(jù)該曲線的周期關(guān)系可以得到繆子的進動頻率

除此之外,，日本高強度質(zhì)子加速器實驗室(J-PARC)另辟蹊徑，準(zhǔn)備采用“超冷繆子法”(ultra-cold Muon)來建造新的繆子源：先通過表面慢繆子束流(28 MeV)生成繆子素,，再利用激光電離慢化的方法得到超冷繆子,，然后再經(jīng)過一段加速過程后(300 MeV)注入到一個緊湊型的儲存環(huán)中進行實驗測量[19]。J-PARC的繆子反常磁矩實驗和費米實驗室采用了完全不同的測量技術(shù)和方法,，預(yù)計2025年發(fā)表首批實驗結(jié)果,。這兩個獨立進行的實驗測量結(jié)果將會互相驗證，從而為解決長期困擾粒子物理學(xué)界的“繆子反常磁矩疑難”做出突破性貢獻,。

當(dāng)今宇宙的物質(zhì)組成高度不對稱：正物質(zhì)遠遠多于反物質(zhì),。為什么會有這種不對稱性現(xiàn)象,？現(xiàn)有的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型并不能提供一個令人滿意的回答。一個擁有永久電偶極矩(electric dipole moment,，EDM)基本粒子的存在意味著時間反演(T)的對稱性破缺(圖10),。這將是正反物質(zhì)對稱性破壞的直接證據(jù)(根據(jù)CPT守恒定律，T破壞即意味著CP正反物質(zhì)對稱性破壞),，這將大大改變?nèi)藗儗φ次镔|(zhì)對稱性破缺乃至宇宙本源的理解,，其物理意義十分深遠。

圖10 (左)粒子自旋方向向左,，電偶極矩方向向上(球體下方的小突起代表著電荷分布的不均勻性,，電偶極矩不為零)。(右,，時間反演態(tài))粒子自旋方向向右，電偶極矩方向仍然向上,。這兩個粒子量子態(tài)互為時間反演態(tài)卻各不相同,，而根據(jù)粒子全同定律，一個粒子只能存在一種量子態(tài),，因此必然有一種時間反演態(tài)不存在,，即時間反演發(fā)生了對稱性破缺(來源：https://sitn.hms./ )

在實驗中尋找基本粒子的電偶極矩非常具有挑戰(zhàn)性。在標(biāo)準(zhǔn)模型中,，基本粒子的電偶極矩預(yù)言值一般都極小,，難以在實驗室中觀測到[20]。受到繆子反常磁矩測量實驗的啟發(fā),，人們發(fā)現(xiàn)繆子電偶極矩的存在也會讓繆子在帶電磁場中產(chǎn)生進動,，其進動的方向恰恰與繆子反常磁矩產(chǎn)生的進動方向成90°角。通過巧妙的設(shè)計實驗,，粒子物理學(xué)家可以同時測量繆子在這兩個方向的進動,，這樣就可以采用與繆子反常磁矩類似的測量方法對繆子電偶極矩進行精確測量。(前期在布魯克海文實驗室進行的繆子反常磁矩實驗,，給出了繆子電偶極矩的測量上限dμ-19e·cm[21],，它與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言值之間數(shù)十個數(shù)量級的差距意味著新物理存在的空間很大。正在費米實驗室進行的繆子電偶極矩的測量靈敏度將提高2個數(shù)量級左右達到 10-21e·cm[17],，日本J-PARC的繆子電偶極矩實驗預(yù)計也將達到相近的靈敏度[19],。繆子電偶極矩實驗是對基本粒子電偶極矩的直接測量,，這點是其他類型的電偶極矩測量實驗所不能提供的(電子和陶子電偶極矩的測量方法均為間接測量,，而中子或者分子等電偶極矩測量的對象并非基本粒子)。下一代繆子電偶極矩實驗將進一步提高測量精度,，探索正反物質(zhì)和時間反演不對稱性的本源,，為新物理的尋找提供前瞻指引,。

05

制備方法

反繆子(μ )俘獲一個電子后形成的束縛態(tài)稱為繆子素。在標(biāo)準(zhǔn)模型中繆子素中的μ 會按照繆子三種衰變模式進行衰變并釋放俘獲的電子,。如果cLFV存在,，繆子素中的μ 和e-就可能同時發(fā)生轉(zhuǎn)換從而變成反繆子素：μ-和e 組成的束縛態(tài)。在標(biāo)準(zhǔn)模型最小擴充中,，由于中微子質(zhì)量極小,，這一轉(zhuǎn)換過程被強烈壓低，不可能在實驗室中觀測到,。但是在其他模型中(如超對稱理論[22]和大統(tǒng)一理論[23]),，該過程轉(zhuǎn)換幾率大幅提升?？娮铀嘏c反繆子素的轉(zhuǎn)換過程同時破壞繆子味,、電子味兩個單位，是單個單位cLFV過程的有力補充,。

當(dāng)今最好的實驗結(jié)果是由1999年瑞士PSI繆子素轉(zhuǎn)換實驗得到,，在95%置性度水平下給出該過程的轉(zhuǎn)換概率小于8.3×10-11[24]。實驗裝置如圖11所示,，利用連續(xù)表面繆子束流轟擊二氧化硅粉末產(chǎn)生繆子素,。實驗期待觀測的反繆子素衰變信號是Michael電子與原子軌道上動能約 13.5 eV 的正電子。實驗采用高精度磁譜儀確認Michael電子的徑跡和時刻,，利用直線加速剝離軌道正電子后輸運至遠端晶體符合探測器,。采用時間和頂點的雙符合探測以便壓低本底。目前,，國際上尚無同類實驗挑戰(zhàn)PSI結(jié)果,。如果在新一代加速器繆子源實驗上觀測到正反繆子素轉(zhuǎn)換過程，將提供超出標(biāo)準(zhǔn)模型新物理的有力證據(jù),。

圖11 PSI繆子素轉(zhuǎn)化實驗探測器系統(tǒng)

06

制備方法

由于過去沒有合適的高強度質(zhì)子/重離子加速器裝置,，中國沒有正在開展的繆子物理實驗。近年來條件有了很大變化：中國散裂中子源(CSNS)的 100 kW,，1.6 GeV 質(zhì)子加速器已經(jīng)建成[25],；國家“十二五”重大科學(xué)工程項目“強流加速器裝置(HIAF)”正在建設(shè)重離子加速器；“十四五”計劃啟動建設(shè)的“加速器驅(qū)動嬗變系統(tǒng)(CiADS)”[26]擬建設(shè)連續(xù)流直線質(zhì)子加速器,；中國原子能科學(xué)研究院正大力推動高功率質(zhì)子回旋加速器的建設(shè)[27],；未來還有正在籌劃的超級質(zhì)子對撞機項目(SPPC)[28]等，我國已經(jīng)具備了建造加速器繆源探究繆子前沿科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用的先決條件,。

在已經(jīng)提上日程的CSNS升級計劃中,，擬依托CSNS建設(shè)我國第一個加速器繆子源設(shè)施(EMuS)[29]。EMuS已經(jīng)形成技術(shù)設(shè)計報告并得到國內(nèi)外同行的高度評價,，其正繆子強度有望達到108μ /s以上(高于PSI用于正反繆子素轉(zhuǎn)換實驗的繆子源將近兩個數(shù)量級),?；贓MuS正在開展我國主導(dǎo)的正反繆子素轉(zhuǎn)換實驗(MACE)的方案設(shè)計，得益于繆子束流強度的大幅提高和近20年來探測器技術(shù)的進步,，有望超越PSI的結(jié)果2—3個數(shù)量級[30],。

CiADS預(yù)期的質(zhì)子束流指標(biāo)為能量 600 MeV，功率 2.5 MW,，經(jīng)測算如果采用類似COMET和Mu2e的實驗設(shè)計,，能夠達到10-19的靈敏度，實現(xiàn)繆子—電子轉(zhuǎn)換實驗探索的進一步突破[26],。

按照HIAF-U的升級計劃,，將具備提供大約在 1×1013ppp 時 10 AGeV 的重離子束流能力。通過與費米實驗室g-2實驗質(zhì)子束流(8GeV)打靶過程的對比,，HIAF-U上繆子束流強度將能夠達到目前費米實驗室g-2實驗的30倍左右,，總體誤差預(yù)期可以提高一倍，從 0.140 ppm 提高到 0.070 ppm[26],。這將為繆子反常磁矩的高精度測量作出重要貢獻,。

針對以上實驗計劃，我國科學(xué)家在關(guān)鍵技術(shù)方面也已經(jīng)有多項具有創(chuàng)新的前瞻性研究在進行中,，包括質(zhì)子靶、繆子慢化,、繆子素產(chǎn)生,、高分辨率徑跡探測器等[31]。高強度前沿繆子物理實驗具有巨大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)潛力,，抓住這一難得的機遇,，深入開展關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，仔細規(guī)劃并適時啟動相關(guān)的實驗計劃,，將使我國在基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域做出重要的創(chuàng)新性貢獻,。

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