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近年来，缪子研究持续深入，在缪子源装置研发、粒子物理学理论研究、特殊环境定位导航等领域不断取得进展。缪子是一种带负电荷的轻子类粒子，质量约为电子的207倍。天然缪子来自高能宇宙射线与大气层的气体分子相互作用，具有能量高、穿透性强、广泛存在等特点。
图 1 宇宙射线缪子示意图
小型化缪子源装置研发扩展缪子应用范围。天然缪子虽然广泛存在，但数量有限，每秒钟大约只有一个宇宙射线缪子通过人手大小的区域。尽管目前已开展了大量基于宇宙射线缪子的应用研究，包括考古、地质探测、火山爆发预测、安检、核反应堆检查等，但天然缪子的低通量水平制约了这些应用的实用性。2022年7月，DARPA发布“面向科学与安全应用的缪子”（MuS2）研究广泛机构公告，提出开发小型化缪子源装置。MuS2项目计划采用激光等离子体加速（LPA）方法，用超强超短脉冲激光在等离子体中激发出微米量级等离子体空泡，形成远高于传统加速结构的电场，在空泡中的合适位置注入电子，产生高能电子并轰击钨等目标，产生定向、高能级（十亿甚至是百亿电子伏特）、高通量（106~108数量级）的缪子束。2023年10月，劳伦斯利弗莫尔国家实验室响应MuS2计划，启动了“面向科学与安全的高强紧凑缪子源”（ICMuS2）研究，将利用科罗拉多州立大学高重复频率拍瓦激光装置和欧洲L4-Aton十拍瓦级激光系统，开展缪子高能加速和生成实验。DARPA计划研发的小型化缪子源装置有望产生高能级、高通量的缪子束，并克服传统大型直线加速器（几百上千米）不可运输的局限性，极大扩展缪子技术的应用范围。
图 2 DARPA“面向科学与安全应用的缪子”计划
基于缪子的物理学研究可能颠覆现有粒子物理标准模型。2023年4月，美国费米国家加速器实验室的物理学家公布缪子反常磁矩测量首批实验结果，数据分析显示缪子在绕磁环运动时有较大的摇摆幅度，和标准模型计算出的预测情况不符。研究团队将缪子束团射入到直径15米，重近700吨、可以产生1.45特斯拉磁场（约为地球磁场的3万倍）的超导磁铁存储环中，使一边自旋一边沿存储环旋转。由于缪子带电，它们会与磁场相互作用，缪子的自旋方向进而会发生进动，通过测量缪子在磁场中的进动频率，就能测量其磁矩。现有粒子物理标准模型无法解释缪子存在磁矩偏差这一现象，如果后续实验进一步验证4月的实验结论，则表明可能存在一种新粒子或一种未知的自然力（已知的4种力是引力、电磁力以及强核力和弱核力），从而开拓“新物理”的疆域。
图 3 超导磁铁存储环
缪子定位为特殊环境中的定位导航提供全新技术手段。缪子由于其高穿透能力和广泛存在的特点，因此可作为参照物被用于定位导航。缪子定位技术系统构建由多个基准缪子探测器（位置信息已知）和一个待定位缪子探测器组成定位系统。系统基于与卫星定位导航系统相似的三角定位原理，通过测量缪子到达基准缪子探测器和待定位缪子探测器的时间差，解算坐标方程并实现定位。2019年10月，日本东京大学开发的“缪子定位系统”（μPS）成功进行了基于有线连接时间同步的定位实验，定位精度达到厘米级，初步验证了缪子定位概念的可行性。2021年9月，美国海军研究署与陆军发展司令部面向北极地区定位导航举办了Global-X挑战赛，美英日芬联合团队凭借缪子定位方案胜出；同年11月，美国海军研究署国际部资助英国地质设施调查有限公司开展“无线缪子定位系统”（muPS）研制；2023年4月，该公司宣布将在芬兰极地湖泊开展缪子定位系统水下实验。2023年7月，东京大学“无线缪子导航系统”（MuWNS）成功在室内和地下环境中进行了无时间同步的定位实验，定位精度较低（2～25米），但实用性提高。缪子定位技术有望为室内、地下、水下和极地等GPS定位导航受限的环境提供全新的定位手段，或与卫星定位导航和惯性导航等手段组合形成综合定位导航系统，进一步提高导航系统的可靠性。
（蓝海星：程之年）
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