科学家可能是这个世界上“最爱做梦”的一群人。对于他们来说，手头的研究和未来的梦想同样重要。最近，一批科学家提出了建造新一代对撞机——缪子离子对撞机的设想。缪子和离子碰撞在一起，将会发生什么，又能研究什么呢？这个梦想能实现吗？
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一个新颖的对撞机计划
物理学家希望能建造世界上第一台缪子离子对撞机。利用加速器将缪子加速至很高的能量，来粉碎质子或者原子核，开辟一个新的前沿领域以解决核物理和粒子物理中的许多基本科学问题，打开新物理的大门。
今年3月，arxiv网站上出现了一篇题为“TeV能级缪子离子对撞机的潜力”的文章，提议在TeV（万亿电子伏特）尺度上开发一个新颖的缪子质子和缪子离子对撞机装置。该装置能够在更大的能区内进行高精度深度非弹性散射测量，并为核子和粒子物理学方面提供丰富的研究主题。
作者们建议在美国布鲁克海文国家实验室(BNL)建造新型缪子离子对撞机（MuIC），作为升级以接替计划于2030年代初启动的电子离子对撞机(EIC)。MuIC的质心系能量将把EIC的深度非弹性散射物理的运动学覆盖范围提高一个数量级以上, 该覆盖范围可与欧洲核子中心(CERN)提议的大型强子电子对撞机 (LHeC) 相媲美。
图 美国电子离子对撞机(EIC)示意图 图源 | Brookhaven National Laboratory
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聚焦的重大科学问题
更高的精度，更高的能量，更紧凑的装置，这个未来的对撞机计划听起来非常激动人心。然而，加速器的建设周期长、花费大。人们首先要关心的是：这样的装置能解决什么样的重大科学问题？
“一花一世界，一叶一菩提。”虽然宇宙物质的组成单元——质子极其微小，但其内部结构却并不简单。在各种高能加速器“显微镜”的帮助下，科学家们已经“看见”了质子内部的夸克和胶子成分。
宇宙可见物质的质量有99%以上来自核子(质子和中子的统称)。核子有三个最基本的属性：质量、自旋和力学稳定性。为了搞清楚这些属性，科学家们借助强大的工具——如同“超级多维电子显微镜”的对撞机，来实现对核子的“断层扫描成像”，深化人们对核子结构的微观认识，从而更好地理解宇宙可见物质的质量起源问题。
缪子离子对撞机的科学目标非常明确——利用缪子作为探针，来探测质子内部的胶子分布和性质，测量质子的质量半径，揭示胶子产生质量的机制，有望解开质子质量和结构的谜团。
胶子和质子质量起源紧密相关。2021年，有研究团队从实验数据中提取出质子的质量分布和“质量半径”值。2023年，美国科学家利用新的实验数据，对质子“质量半径”进行测量。质子质量半径的实验结果，初步揭示了胶子和夸克在质子内部的分布，从而有助于理解质子的结构。
图 新研究得出的质子内部结构和质量来源示意图。质量半径比电荷半径要小，而标量胶子云则延伸超出了电荷半径的范围。图源 | Argonne National Laboratory
胶子不仅和质量紧密相关，还有一个非常奇特的形态——色玻璃凝聚(CGC)。根据爱因斯坦的狭义相对论，当原子核以近光速（相对论）运动时，它会在运动方向上像煎饼一样扁平。此外，加速核的高能量可能会导致它产生大量胶子，当胶子*和分裂达到动态平衡时，胶子的密度饱和，这种饱和胶子物质的状态被称为色玻璃凝聚态。色玻璃凝聚被认为是一种普遍的物质形式，可以描述所有高能、强相互作用粒子的特性。
目前，色玻璃凝聚是否存在仍然是一个难以捉摸的谜。美国正在筹建的电子离子对撞机，就将色玻璃凝聚现象作为主要探究课题之一。
科学家们认为，想要充分理解这些新的观测结果，以及发现其所暗示的新物理学，还需要更高精度的实验。缪子离子对撞机为研究色玻璃凝聚现象提供了一个优异的平台。
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缪子离子对撞机的优势
在近百年的发展中，加速器技术不断更新迭代，以适应物理学家们探索微观世界的需要。随着对撞能量的要求越来越高，加速器的规模也日趋庞大。能否建造一种体积小巧同时性能优异的对撞机呢？缪子离子对撞机或许是一个很好的选择。
传统的对撞机所对撞的粒子大多为质子和电子。电子在环形磁场中发生轨迹弯曲时，其自身大部分能量会以辐射的形式损失掉。如要达到粒子加速的目标能量值，所耗费的电力实在太大。以质子加速举例，加速器系统的能量可利用率仅为六分之一甚至十分之一，可谓非常不理想。
图 1936年，一种新粒子——缪子被发现。缪子的质量大约是电子的207倍，寿命大约是2.2微秒 图源| 寇维
缪子作为一种基本粒子，没有内部结构，其质量大约是电子的207倍。如果用缪子代替电子，那么缪子发出的同步辐射少了约 10 亿倍！因为在同等空间范围的条件下，缪子同步辐射损失的能量更少，缪子可以被加速到比电子更高的能量。
缪子与质子碰撞，相对于质子-质子碰撞有很大的优势。质子-质子碰撞实际上是质子内部的夸克或胶子之间的碰撞，这些夸克或胶子只携带质子总能量的一部分。而在缪子-质子对撞过程中，每次碰撞都涉及粒子的全部能量，因此能量损失更少。
据科研人员粗略估计：缪子离子对撞机比同样尺寸的电子离子对撞机的质心系能量大约可以提高一个量级！因此，相对于质子-质子对撞机和电子离子对撞机，缪子离子对撞机在能量上具有明显的优势。
