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科学家基于上海超强超短激光实验装置验证台式化缪子源
2025年05月31日 09:20:05
来源：化工仪器网 点击量：6049
近期，中国科学院上海光学精密机械研究所与中国工程物理研究院激光聚变研究中心、中国科学院近代物理研究所、中国科学院高能物理研究所、中国科学技术大学等合作，依托上海超强超短激光实验装置(SULF)开展合作实验，利用超快激光尾场加速产生的GeV量级高能电子束与转换靶作用，国际首次完成了台式化缪子源的实验验证。
超强超短激光与铅靶的碰撞中，一种曾仅存于宇宙射线或巨型加速器的神秘粒子——缪子(μ子)被成功捕获，标志着粒子源小型化时代的重大突破。
缪子是标准模型中组成物质世界的基本粒子之一，属于第二代轻子，其质量约为电子的207倍，被称为“胖电子”。它在真空中寿命仅约2.2微秒，衰变时释放一个电子和两个中微子。
近期，中国科学院上海光学精密机械研究所与中国工程物理研究院激光聚变研究中心、中国科学院近代物理研究所、中国科学院高能物理研究所、中国科学技术大学等合作，依托上海超强超短激光实验装置(SULF)开展合作实验，利用超快激光尾场加速产生的GeV量级高能电子束与转换靶作用，国际首次完成了台式化缪子源的实验验证。
缪子作为探索物质深层规律的“探针”，在多个前沿领域具有不可替代的价值。然而长久以来，缪子供给被宇宙射线与大型加速器垄断。宇宙射线缪子通量极低(<1个/平方厘米/分钟)，而全球仅有日本J-PARC、瑞士PSI等少数加速器可产生缪子，运行成本高昂且机时稀缺。
研究团队利用SULF的重频拍瓦激光与气体靶相互作用产生了GeV量级高能量电子束，进一步与铅转换靶相互作用产生缪子。团队提出利用缪子较长寿命探测其衰变电子并多发次累计的新方法，提升了缪子统计量和测量信噪比。高能电子产生缪子机制主要包括Bethe-Heitler和Photo-/electro-production两类：前者缪子能量高、方向性好但截面低，后者发射近似4π立体角，截面高出3~4个数量级。厘清激光产生缪子的主导机制对其应用至关重要。团队通过多探测器测量缪子角分布，发现激光尾场加速电子与靶材作用生成的缪子特性更接近4π立体角发射，明确了当前激光产生的缪子主要源于含π介子衰变的Photo-/electro-production过程。
研究发现，缪子产生效率可达0.01 μ/e-，单发激光缪子产额达107。进一步评估显示，当前激光技术有望实现产额达103/s的高极化缪子，满足缪子磁共振与核谱学研究需求，为小型激光实验室开展缪子科学研究打开新大门。
相关研究成果Proof-of-principle demonstration of muon production with an ultrashort high-intensity laser于近日发表在《自然-物理》(Nature Physics)上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院相关项目等的支持。
参考 来源： 上海光学精密机械研究所
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