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近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所超強激光科學(xué)與技術(shù)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(xué)技術(shù)大學(xué)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(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。相關(guān)成果以"Proof-of-principle demonstration of muon production with an ultrashort high-intensity laser"為題發(fā)表于Nature Physics。

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”，在真空中靜止時的壽命約為 2.2微秒，衰變產(chǎn)生一個電子和兩個中微子。繆子是基礎(chǔ)物理以及應(yīng)用物理研究的熱門領(lǐng)域，其稀有衰變是檢驗標(biāo)準(zhǔn)模型、尋找新物理的探針；其極強的穿透性可應(yīng)用于大尺度客體（火山、隧道、金字塔、深海）的透射照相、跨介質(zhì)通信與導(dǎo)航；基于繆子的磁共振可以用于探測樣品內(nèi)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(shù)量和昂貴的運行成本。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，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，從而為繆子提供了一種全新的產(chǎn)生技術(shù)途徑。2023年，美國國防高級研究計劃局啟動了面向科學(xué)與國家安全的繆子研究計劃MuS2；2025年，英國、意大利聯(lián)合歐盟極端光物理設(shè)施ELI規(guī)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(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。研究人員原創(chuàng)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(fā)次累計的新方法，有效提升了繆子統(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兩類機制：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。研究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。

圖2 兩組探測器的繆子壽命譜測量結(jié)果

研究表明，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)10?。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)研究打開新的大門。

相關(guān)研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年團隊等項目的支持。

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