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科學(xué)家基于上海超強超短激光實驗裝置驗證臺式化繆子源
2025年05月31日 09:20:05
來源：化工儀器網(wǎng) 點擊量：5673
近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機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，依托上海超強超短激光實驗裝置(SULF)開展合作實驗，利用超快激光尾場加速產(chǎn)生的GeV量級高能電子束與轉(zhuǎn)換靶作用，國際首次完成了臺式化繆子源的實驗驗證。
超強超短激光與鉛靶的碰撞中，一種曾僅存于宇宙射線或巨型加速器的神秘粒子——繆子(μ子)被成功捕獲，標(biāo)志著粒子源小型化時代的重大突破。
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，其質(zhì)量約為電子的207倍，被稱為“胖電子”。它在真空中壽命僅約2.2微秒，衰變時釋放一個電子和兩個中微子。
近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機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，依托上海超強超短激光實驗裝置(SULF)開展合作實驗，利用超快激光尾場加速產(chǎn)生的GeV量級高能電子束與轉(zhuǎn)換靶作用，國際首次完成了臺式化繆子源的實驗驗證。
繆子作為探索物質(zhì)深層規(guī)律的“探針”，在多個前沿領(lǐng)域具有不可替代的價值。然而長久以來，繆子供給被宇宙射線與大型加速器壟斷。宇宙射線繆子通量極低(<1個/平方厘米/分鐘)，而全球僅有日本J-PARC、瑞士PSI等少數(shù)加速器可產(chǎn)生繆子，運行成本高昂且機時稀缺。
研究團隊利用SULF的重頻拍瓦激光與氣體靶相互作用產(chǎn)生了GeV量級高能量電子束，進一步與鉛轉(zhuǎn)換靶相互作用產(chǎn)生繆子。團隊提出利用繆子較長壽命探測其衰變電子并多發(fā)次累計的新方法，提升了繆子統(tǒng)計量和測量信噪比。高能電子產(chǎn)生繆子機制主要包括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個數(shù)量級。厘清激光產(chǎn)生繆子的主導(dǎo)機制對其應(yīng)用至關(guān)重要。團隊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。進一步評估顯示，當(dāng)前激光技術(shù)有望實現(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，為小型激光實驗室開展繆子科學(xué)研究打開新大門。
相關(guān)研究成果Proof-of-principle demonstration of muon production with an ultrashort high-intensity laser于近日發(fā)表在《自然-物理》(Nature Physics)上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院相關(guān)項目等的支持。
參考 來源： 上海光學(xué)精密機械研究所
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