科學(xué)家基于上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證臺(tái)式化繆子源----中國科學(xué)院

加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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科學(xué)家基于上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證臺(tái)式化繆子源

2025-05-28 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所

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繆子是標(biāo)準(zhǔn)模型中組成物質(zhì)世界的基本粒子之一，屬于第二代輕子。它的質(zhì)量為電子的207倍，被稱為“胖電子”，在真空中靜止時(shí)的壽命約為2.2微秒，衰變產(chǎn)生一個(gè)電子和兩個(gè)中微子。繆子是基礎(chǔ)物理和應(yīng)用物理研究的熱點(diǎn)，其稀有衰變是檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型、尋找新物理的探針；其極強(qiáng)的穿透性可應(yīng)用于大尺度客體的透射照相、跨介質(zhì)通信與導(dǎo)航；基于繆子的磁共振可用于探測樣品內(nèi)部的微磁場以及研究材料特性；它還可以合成繆氫，用于催化聚變研究。目前，繆子主要來自宇宙射線或大型加速器，前者通量非常低，后者則受限于極其有限的裝置數(shù)量和昂貴的運(yùn)行成本。隨著激光尾場加速技術(shù)的快速發(fā)展，利用超短脈沖激光已能將電子加速至10 GeV量級(jí)，這使得利用這種高能量電子與靶相互作用產(chǎn)生繆子成為可能，為繆子提供了全新的產(chǎn)生技術(shù)途徑。

該團(tuán)隊(duì)利用SULF的重頻拍瓦激光與氣體靶相互作用產(chǎn)生了GeV量級(jí)高能量電子束，進(jìn)一步與鉛轉(zhuǎn)換靶相互作用產(chǎn)生繆子。團(tuán)隊(duì)提出利用繆子較長壽命探測其衰變電子并多發(fā)次累計(jì)的新方法，提升了繆子統(tǒng)計(jì)量和測量信噪比。高能電子產(chǎn)生繆子機(jī)制主要包括Bethe-Heitler和Photo-/electro-production兩類：前者繆子能量高、方向性好但截面低，后者發(fā)射近似4π立體角，截面高出3~4個(gè)數(shù)量級(jí)。厘清激光產(chǎn)生繆子的主導(dǎo)機(jī)制對(duì)其應(yīng)用至關(guān)重要。團(tuán)隊(duì)通過多探測器測量繆子角分布，發(fā)現(xiàn)激光尾場加速電子與靶材作用生成的繆子特性更接近4π立體角發(fā)射，明確了當(dāng)前激光產(chǎn)生的繆子主要源于含π介子衰變的Photo-/electro-production過程。

研究發(fā)現(xiàn)，繆子產(chǎn)生效率可達(dá)0.01?μ/e^-，單發(fā)激光繆子產(chǎn)額達(dá)10⁷。進(jìn)一步評(píng)估顯示，當(dāng)前激光技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)額達(dá)10³/s的高極化繆子，滿足繆子磁共振與核譜學(xué)研究需求，為小型激光實(shí)驗(yàn)室開展繆子科學(xué)研究打開新大門。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-物理》（Nature Physics）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目等的支持。

論文鏈接

（a）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；（b）典型電子能譜

兩組探測器的繆子壽命譜測量結(jié)果

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所與中國工程物理研究院激光聚變研究中心、中國科學(xué)院近代物理研究所、中國科學(xué)院高能物理研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等合作，依托上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置（SULF）開展合作實(shí)驗(yàn)，利用超快激光尾場加速產(chǎn)生的GeV量級(jí)高能電子束與轉(zhuǎn)換靶作用，國際首次完成了臺(tái)式化繆子源的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。繆子是標(biāo)準(zhǔn)模型中組成物質(zhì)世界的基本粒子之一，屬于第二代輕子。它的質(zhì)量為電子的207倍，被稱為“胖電子”，在真空中靜止時(shí)的壽命約為2.2微秒，衰變產(chǎn)生一個(gè)電子和兩個(gè)中微子。繆子是基礎(chǔ)物理和應(yīng)用物理研究的熱點(diǎn)，其稀有衰變是檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型、尋找新物理的探針；其極強(qiáng)的穿透性可應(yīng)用于大尺度客體的透射照相、跨介質(zhì)通信與導(dǎo)航；基于繆子的磁共振可用于探測樣品內(nèi)部的微磁場以及研究材料特性；它還可以合成繆氫，用于催化聚變研究。目前，繆子主要來自宇宙射線或大型加速器，前者通量非常低，后者則受限于極其有限的裝置數(shù)量和昂貴的運(yùn)行成本。隨著激光尾場加速技術(shù)的快速發(fā)展，利用超短脈沖激光已能將電子加速至10 GeV量級(jí)，這使得利用這種高能量電子與靶相互作用產(chǎn)生繆子成為可能，為繆子提供了全新的產(chǎn)生技術(shù)途徑。該團(tuán)隊(duì)利用SULF的重頻拍瓦激光與氣體靶相互作用產(chǎn)生了GeV量級(jí)高能量電子束，進(jìn)一步與鉛轉(zhuǎn)換靶相互作用產(chǎn)生繆子。團(tuán)隊(duì)提出利用繆子較長壽命探測其衰變電子并多發(fā)次累計(jì)的新方法，提升了繆子統(tǒng)計(jì)量和測量信噪比。高能電子產(chǎn)生繆子機(jī)制主要包括Bethe-Heitler和Photo-/electro-production兩類：前者繆子能量高、方向性好但截面低，后者發(fā)射近似4π立體角，截面高出3~4個(gè)數(shù)量級(jí)。厘清激光產(chǎn)生繆子的主導(dǎo)機(jī)制對(duì)其應(yīng)用至關(guān)重要。團(tuán)隊(duì)通過多探測器測量繆子角分布，發(fā)現(xiàn)激光尾場加速電子與靶材作用生成的繆子特性更接近4π立體角發(fā)射，明確了當(dāng)前激光產(chǎn)生的繆子主要源于含π介子衰變的Photo-/electro-production過程。研究發(fā)現(xiàn)，繆子產(chǎn)生效率可達(dá)0.01?μ/e-，單發(fā)激光繆子產(chǎn)額達(dá)107。進(jìn)一步評(píng)估顯示，當(dāng)前激光技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)額達(dá)103/s的高極化繆子，滿足繆子磁共振與核譜學(xué)研究需求，為小型激光實(shí)驗(yàn)室開展繆子科學(xué)研究打開新大門。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-物理》（Nature Physics）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目等的支持。論文鏈接（a）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；（b）典型電子能譜兩組探測器的繆子壽命譜測量結(jié)果

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