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近期，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術全國重點實驗室，與中國工程物理研究院激光聚變研究中心、近代物理研究所、高能物理研究所、中國科學技術大學等單位，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生的GeV量級高能電子束與轉換靶作用，國際首次完成了臺式化繆子源的實驗驗證。相關成果以"Proof-of-principle demonstration of muon production with an ultrashort high-intensity laser"為題發表于Nature Physics。

繆子是標準模型中組成物質世界的基本粒子之一，屬于第二代輕子。它的質量為電子的207倍，被稱為“胖電子”，在真空中靜止時的壽命約為 2.2微秒，衰變產生一個電子和兩個中微子。繆子是基礎物理以及應用物理研究的熱門領域，其稀有衰變是檢驗標準模型、尋找新物理的探針；其極強的穿透性可應用于大尺度客體（火山、隧道、金字塔、深海）的透射照相、跨介質通信與導航；基于繆子的磁共振可以用于探測樣品內部的微磁場，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者大型加速器，前者通量非常低，后者則受限于極其有限的裝置數量和昂貴的運行成本。隨著激光尾場加速技術的快速發展，利用超短脈沖激光已能將電子加速至10 GeV量級，這使得利用這種高能量電子與靶相互作用產生繆子成為可能，從而為繆子提供了一種全新的產生技術途徑。2023年，美國國防高級研究計劃局啟動了面向科學與國家安全的繆子研究計劃MuS2；2025年，英國、意大利聯合歐盟極端光物理設施ELI規劃專用激光繆子束線。

圖1 (a)實驗裝置示意圖；(b) 典型電子能譜

研究團隊利用SULF的重頻拍瓦激光與氣體靶相互作用產生了GeV量級高能量電子束，進一步與鉛轉換靶相互作用產生繆子。研究人員原創性地提出利用繆子較長壽命（約2.2?μs）通過探測其衰變電子并多發次累計的新方法，有效提升了繆子統計量和測量信噪比。高能電子產生繆子機制主要包括Bethe-Heitler和Photo-/electro-production兩類機制：前者繆子能量高、方向性好但截面低，后者發射近似4π立體角，截面高出3~4個數量級。厘清激光產生繆子的主導機制對其應用至關重要。研究團隊通過多探測器測量繆子角分布，發現激光尾場加速電子與靶材作用生成的繆子特性，更接近4π立體角發射，明確當前激光產生的繆子主要源于含π介子衰變的Photo-/electro-production過程。

圖2 兩組探測器的繆子壽命譜測量結果

研究表明，繆子產生效率可達0.01?μ/e?，單發激光繆子產額達10?。進一步評估顯示，當前激光技術有望實現產額達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的大門。

相關研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院青年團隊等項目的支持。

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