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科學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：5530
近期，中國科學院上海光學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、中國科學院近代物理研究所、中國科學院高能物理研究所、中國科學技術(shù)大學等合作，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，標志著粒子源小型化時代的重大突破。
繆子是標準模型中組成物質(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，中國科學院上海光學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、中國科學院近代物理研究所、中國科學院高能物理研究所、中國科學技術(shù)大學等合作，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0.01?μ/e-，單發(fā)激光繆子產(chǎn)額達107。進一步評估顯示，當前激光技術(shù)有望實現(xiàn)產(chǎn)額達103/s的高極化繆子，滿足繆子磁共振與核譜學研究需求，為小型激光實驗室開展繆子科學研究打開新大門。
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、國家自然科學基金、中國科學院相關(guān)項目等的支持。
參考 來源： 上海光學精密機械研究所
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