丑小鴨還是白天鵝？意外發現的繆子正改變世界

出品：科普中國

作者：陳思遠、唐健（中山大學）

監制：中國科普博覽

山上的來客

20世紀初，人們對微觀世界的認知僅局限于原子中的質子、中子和電子。1935年夏，落基山脈之巔，在派克峰4300米海拔的稀薄空氣中，兩位物理學家聚精會神地進行實驗。卡爾-戴維-安德森（Carl David Anderson, 1905—1991）和塞斯-內德邁爾（Seth Neddermeyer, 1907—1988）搭建的云室捕捉到一些不同尋常的徑跡：它們能夠輕松地穿透重金屬板，其質量卻介于電子與質子之間，無法歸類。在歷時兩年、分析了數千張云室照片后，他們得出一個大膽的結論——這是一種未知的粒子。

云室中的宇宙射線徑跡照片

（圖片來源：C. D. Anderson et al, 1936, Phys. Rev. 50, 263）

起初，這種粒子被命名為“中間的粒子”，它和理論物理學家湯川秀樹曾預言的介子恰巧在質量上相似，人們因此將其稱為“μ介子”。但與湯川理論相悖的是，它并不參與核子之間的強相互作用，這給當時的學界造成了極大困惑。核磁共振之父伊西多-拉比（Isidor Isaac Rabi, 1898—1988）曾以開玩笑的口吻對此提出疑問：“這究竟是誰下單的？”而后來的研究表明，“介子”的名號另有所屬，這種新粒子實則是一種類似電子的基本粒子，因此人們將其改名為“μ子”，這也是它唯一的名稱。繆子，這位“不速之客”，就此為人類的微觀世界探索揭開了全新的篇章。

“端，體之無序而最前者也。”距今兩千多年前，墨子樸素地指出“端”是構成物質的、不可再分的最基本單元。目前，在幾代物理學家的不懈努力下，我們終于對物質世界有了更加全面而深刻的認識，其結論與墨子之說如出一轍。

粒子物理標準模型

（圖片來源：Yinweichen, Wikipedia）

標準模型是人類迄今為止最成功的理論，它是一張宇宙的“元素周期表”。其中，構成宇宙中所有可見物質的基本粒子被稱為費米子，而玻色子負責傳遞各種相互作用，它們都由不可見的場的激發而產生，無法再分。費米子包括三個代際的夸克與輕子。夸克通過膠子傳遞的強相互作用結合在一起，形成上文提到過的質子和中子，進而組成原子核，第一代輕子——電子在光子傳遞的電磁相互作用下，圍繞著原子核運動，它們共同構成了我們觸手可及的物質。

根據標準模型，繆子屬于第二代輕子，其質量是電子的207倍。然而繆子并不像電子一樣能穩定地存在，因此不參與一般物質的組成。它在靜止狀態下的平均壽命為2.2微秒，如同白駒過隙，最終會通過W玻色子傳遞的弱相互作用衰變成電子和兩個中微子。況且由于質量較大，地球上常見的核反應，如衰變、核裂變甚至核聚變，都達不到足以產生繆子的能量。那安德森等人為什么能在在云室中看到繆子呢？

宇宙射線繆子示意圖

（圖片來源：PhysicsOpenLab）

原來，宇宙空間彌漫著大量被稱為“初級宇宙射線”的高能帶電粒子，其中大部分是質子。它們接近地球時，開始與大氣層發生激烈碰撞，產生一簇簇的“次級射線”，并進一步衰變成繆子。由于繆子此時能量極高，根據愛因斯坦狹義相對論中的“鐘慢”效應，在我們的視角中，繆子的壽命“變長了”；同時，繆子較大的質量使它具有很強的穿透能力。最終，繆子能夠穿過萬米高空到達地表，在我們指甲蓋大小的面積上，每分鐘都會有一個繆子穿過。甚至在世界最深地下實驗室——中國錦屏地下實驗室中，繆子能夠穿過兩千米厚的山體，在探測器中留下自己的足跡，這也是地下實驗室的主要“噪聲”來源之一。

一鳴驚人

從20世紀40年代開始，大型加速器已經能夠將質子加速到極高能量，于是在宇宙射線這個“免費”的來源外，我們擁有了人工產生繆子的手段。隨著研究的不斷深入，繆子，這只“丑小鴨”，開始展現出“白天鵝”的優雅與力量。

1956年，李政道先生（1926—2024）和楊振寧先生（1922—2025）提出弱相互作用下宇稱不守恒。1957年，吳健雄先生（1912—1997）在低溫強磁場環境下的鈷-60衰變產物中觀察到該現象，促成二人獲得諾貝爾物理學獎。同年，根據楊振寧和李政道文章中的建議，理查德-加文（Richard Lawrence Garwin, 1928—2025）對繆子衰變進行研究，佐證了吳健雄的實驗結論。加文還進一步發現，在不同材料中，繆子衰變產生的電子分布有所不同，因此他提出：繆子可作為用于探究物質內部性質的強大工具！這個看似不經意的發現開創了日后繆子技術應用的先河。

μSR技術：材料學的聽診器。μSR（Muon Spin Rotation, Relaxation, and Resonance）是繆子自旋旋轉/弛豫/共振技術的簡稱。基于宇稱不守恒的原理，對于π介子靜止時衰變產生的繆子，它的自旋方向與運動方向相反，此時的繆子如同“聽診器”一般，對材料內部的微弱磁場十分敏感。由于繆子衰變產生的電子空間分布具有不對稱性，通過觀察這種不對稱性隨時間的演化，我們可以輕松推測出材料的磁場特性。μSR技術已經在磁性、高溫超導、半導體、關聯電子材料和薄膜物理等戰略領域中被廣泛應用，當面臨復雜的物質機理難題時，繆子往往能夠幫助人們找到隱藏在原子層級的線索。

繆子成像與無損檢測：為金字塔和火山做CT。照相是一項古老的技術，相機能夠留下我們肉眼可及的影像，而X光可以利用高能電磁波進一步穿透物體表面，并通過計算機輔助斷層成像技術（CT），重建出物體內部結構圖像，滿足醫學和安檢等需求。與其他成像技術相比，宇宙射線產生的繆子具有成本低、分布廣、穿透力強、對人體無害的優勢，科學家們開始采用繆子進行大型建筑結構的成像，其中最為“出圈”的當屬2017年報道的一項工作：研究人員利用繆子成像技術，在著名的胡夫金字塔中首次發現了一條30米長的密室，而自十九世紀來，這是任何其他技術手段都無法實現的。除此之外，繆子成像還成功應用于火山、礦山、隧道、樓體等內部結構的監測中；更有趣的是，繆子在和不同物質相互作用時會發出特征信號，由此能分析出樣品的詳細成分，還可以和繆子成像結合起來，對大型車輛中的核材料進行安檢，甚至監視核反應堆運行狀況，可謂是擁有一雙“火眼金睛”！

利用繆子斷層成像進行車輛安檢掃描

（圖片來源：左圖—Los Alamos Research Quarterly；右圖—INFN）

繆子導航定位：無所不至的信使。導航APP已經成為了我們生活中不可或缺的一部分，它們本質上是通過覆蓋全球的衛星導航系統（GNSS）進行定位，如我國的北斗系統和美國的GPS系統。然而電磁波信號易受到墻體、地層、水體的遮擋，并且有被干擾和攔截的風險。宇宙射線繆子穿透性強，不受人為操控，因此，在深海、深地等極端環境下，或對保密性要求較高的前提下，繆子將是合適的導航定位信息載體。近年來，美國海軍研究署和日本東京大學等機構都在進行不依賴衛星的繆子導航定位研究，據相關研究論文報道，定位試驗的精度可達到厘米量級。

繆子催化核聚變：終極能源之夢。在太陽內部，較輕原子核在超高溫高壓的條件下間距被壓縮至極小，進而聚變成一個較重原子核、釋放巨大的能量，這是養育地球萬物的能量來源。核聚變幾乎不產生核廢料、地球上可用的燃料近似為無限多，在能源危機的陰影下，駕馭核聚變反應是人類一直以來的夢想。目前，可控核聚變的大多數實驗方案是將燃料加熱至上億度，進而發生“熱核反應”，這對工程設計提出了巨大挑戰。為了尋找實現“冷核反應”的可能性，科學家提出在常溫條件下利用繆子催化核聚變：由于繆子質量遠大于電子，原子核俘獲繆子后形成的繆原子也將遠小于常規原子，將增加原子發生聚變的機會。1956年，美國物理學家路易斯-阿爾瓦雷斯（Luis Walter Alvarez, 1911—1988）曾首次觀測到了這種現象，但走向實際應用前還有諸多挑戰，至今相關研究仍在持續。

中國“人造太陽”EAST托卡馬克裝置實驗照片

（圖片來源：Xiang Gao et al 2017 Nucl. Fusion 57 056021）

繆子與新物理：探尋宇宙的真相。雖然標準模型取得了巨大的成功，但它并不能解釋“中微子為什么有質量？”、“宇宙中的反物質為什么遠遠少于物質？”等問題；也無法將宏觀與微觀的各種現象完全統一起來，給出宇宙起源的終極答案。中微子分為三種類型：電子中微子、繆子中微子和陶子中微子，它們也被稱作中微子的“味道”。科學家在1998年至2001年的一系列實驗中發現了“中微子振蕩”現象，表明中微子具有質量，且它們的味道可以發生改變。

中微子振蕩

（圖片來源：Higgstan）

然而，在標準模型中，電子、繆子、陶子這些帶電輕子的味道又是嚴格守恒的。科學家認為，這種守恒不一定是必然的，因此“帶電輕子味道破壞（CLFV）過程”是下一個新物理現象的熱門候選者。近幾十年來，國際研究人員對CLFV過程進行了大量高精度測量，相關工作集中在繆子到電子的直接衰變或轉化過程。近年，中山大學也提出了“正反繆子素轉化實驗（MACE）”，預計將實驗靈敏度提升100倍以上，期望觀測到相關新物理現象。此外，國際學界基于繆子的獨特優勢還提出了“繆子對撞機”計劃。由于帶電粒子在偏轉時會釋放同步輻射，它們的能量將會降低，這不利于提升電子對撞機的能量；而繆子較大的質量使其受到的影響極小，能夠實現超高的對撞能量。也許在不久的未來，這種超級對撞機將有能力讓我們更加接近基本物理問題的答案。

正反繆子素轉化實驗裝置概念

（圖片來源：中山大學物理學院、中山大學繆子科學與技術平臺（籌））

路漫漫而修遠兮

1831年，法拉第發現電磁感應，并發明制造了首個發電機和電動機的雛形；1897年，湯姆孫首次發現電子……直到現在，手機電腦等電子產品已走入尋常百姓家。在兩百多年的歷程中，對電子的研究幫助人們從工業時代跨越到信息時代，人們的生活水平獲得了極大提高。

我們能夠認為，若沒有科學家共同對自然界本質愈發深入的探索，就無法對相關現象產生愈發精準的認識，也就無法利用相應原理來發展技術應用、造福人類的日常生活；同時，這些技術應用又打造了科學家手中高效且可靠的研究工具，推動前沿科學的進一步發展。

目前全世界現有的繆子源設施，集中在美國、加拿大、英國、瑞士和日本。過去，我國缺乏支持建設繆子源的質子或重離子加速器條件，若想在加速器上進行研究，科學家們只能通過國際合作提交申請，極大限制了我國在相關領域的發展。得益于近年來我國經濟與科技實力與日俱增，中國加速器驅動嬗變研究裝置、強流重離子加速器裝置、中國散裂中子源和上海光源等“大國重器”紛紛落地，這些大科學裝置上均有繆子源建設計劃提出，預計性能趕超國際水平。

建設中的強流重離子加速器裝置（HIAF）和加速器驅動嬗變系統（CiADS）

（圖片來源：中國科學院近代物理研究所）

如今，距繆子的首次發現不過一百年，作為電子的“兄弟”，繆子物理研究的旅程才剛剛開始。隨著我國相關大科學裝置與繆子源設施的建設，我們未來一定能通過繆子發現更多物理現象、發展出更加先進的技術應用，使我國在加速器技術、粒子探測技術等重要領發展方向上占據優勢地位，推動人類進一步加深對微觀世界及宇宙的認識。下一個將改變世界的“意外發現”，或許正隱藏在今天的某個實驗室數據中，等待著我們敞開懷抱，去找到它天鵝般的高貴潛質。

內容來自：中國科普博覽

文章來源：科普中國