丑小鸭还是白天鹅？意外发现的缪子正改变世界

出品：科普中国

作者：陈思远、唐健（中山大学）

监制：中国科普博览

山上的来客

20世纪初，人们对微观世界的认知仅局限于原子中的质子、中子和电子。1935年夏，落基山脉之巅，在派克峰4300米海拔的稀薄空气中，两位物理学家聚精会神地进行实验。卡尔-戴维-安德森（Carl David Anderson, 1905—1991）和塞斯-内德迈尔（Seth Neddermeyer, 1907—1988）搭建的云室捕捉到一些不同寻常的径迹：它们能够轻松地穿透重金属板，其质量却介于电子与质子之间，无法归类。在历时两年、分析了数千张云室照片后，他们得出一个大胆的结论——这是一种未知的粒子。

云室中的宇宙射线径迹照片

（图片来源：C. D. Anderson et al, 1936, Phys. Rev. 50, 263）

起初，这种粒子被命名为“中间的粒子”，它和理论物理学家汤川秀树曾预言的介子恰巧在质量上相似，人们因此将其称为“μ介子”。但与汤川理论相悖的是，它并不参与核子之间的强相互作用，这给当时的学界造成了极大困惑。核磁共振之父伊西多-拉比（Isidor Isaac Rabi, 1898—1988）曾以开玩笑的口吻对此提出疑问：“这究竟是谁下单的？”而后来的研究表明，“介子”的名号另有所属，这种新粒子实则是一种类似电子的基本粒子，因此人们将其改名为“μ子”，这也是它唯一的名称。缪子，这位“不速之客”，就此为人类的微观世界探索揭开了全新的篇章。

“端，体之无序而最前者也。”距今两千多年前，墨子朴素地指出“端”是构成物质的、不可再分的最基本单元。目前，在几代物理学家的不懈努力下，我们终于对物质世界有了更加全面而深刻的认识，其结论与墨子之说如出一辙。

粒子物理标准模型

（图片来源：Yinweichen, Wikipedia）

标准模型是人类迄今为止最成功的理论，它是一张宇宙的“元素周期表”。其中，构成宇宙中所有可见物质的基本粒子被称为费米子，而玻色子负责传递各种相互作用，它们都由不可见的场的激发而产生，无法再分。费米子包括三个代际的夸克与轻子。夸克通过胶子传递的强相互作用结合在一起，形成上文提到过的质子和中子，进而组成原子核，第一代轻子——电子在光子传递的电磁相互作用下，围绕着原子核运动，它们共同构成了我们触手可及的物质。

根据标准模型，缪子属于第二代轻子，其质量是电子的207倍。然而缪子并不像电子一样能稳定地存在，因此不参与一般物质的组成。它在静止状态下的平均寿命为2.2微秒，如同白驹过隙，最终会通过W玻色子传递的弱相互作用衰变成电子和两个中微子。况且由于质量较大，地球上常见的核反应，如衰变、核裂变甚至核聚变，都达不到足以产生缪子的能量。那安德森等人为什么能在在云室中看到缪子呢？

宇宙射线缪子示意图

（图片来源：PhysicsOpenLab）

原来，宇宙空间弥漫着大量被称为“初级宇宙射线”的高能带电粒子，其中大部分是质子。它们接近地球时，开始与大气层发生激烈碰撞，产生一簇簇的“次级射线”，并进一步衰变成缪子。由于缪子此时能量极高，根据爱因斯坦狭义相对论中的“钟慢”效应，在我们的视角中，缪子的寿命“变长了”；同时，缪子较大的质量使它具有很强的穿透能力。最终，缪子能够穿过万米高空到达地表，在我们指甲盖大小的面积上，每分钟都会有一个缪子穿过。甚至在世界最深地下实验室——中国锦屏地下实验室中，缪子能够穿过两千米厚的山体，在探测器中留下自己的足迹，这也是地下实验室的主要“噪声”来源之一。

一鸣惊人

从20世纪40年代开始，大型加速器已经能够将质子加速到极高能量，于是在宇宙射线这个“免费”的来源外，我们拥有了人工产生缪子的手段。随着研究的不断深入，缪子，这只“丑小鸭”，开始展现出“白天鹅”的优雅与力量。

1956年，李政道先生（1926—2024）和杨振宁先生（1922—2025）提出弱相互作用下宇称不守恒。1957年，吴健雄先生（1912—1997）在低温强磁场环境下的钴-60衰变产物中观察到该现象，促成二人获得诺贝尔物理学奖。同年，根据杨振宁和李政道文章中的建议，理查德-加文（Richard Lawrence Garwin, 1928—2025）对缪子衰变进行研究，佐证了吴健雄的实验结论。加文还进一步发现，在不同材料中，缪子衰变产生的电子分布有所不同，因此他提出：缪子可作为用于探究物质内部性质的强大工具！这个看似不经意的发现开创了日后缪子技术应用的先河。

μSR技术：材料学的听诊器。μSR（Muon Spin Rotation, Relaxation, and Resonance）是缪子自旋旋转/弛豫/共振技术的简称。基于宇称不守恒的原理，对于π介子静止时衰变产生的缪子，它的自旋方向与运动方向相反，此时的缪子如同“听诊器”一般，对材料内部的微弱磁场十分敏感。由于缪子衰变产生的电子空间分布具有不对称性，通过观察这种不对称性随时间的演化，我们可以轻松推测出材料的磁场特性。μSR技术已经在磁性、高温超导、半导体、关联电子材料和薄膜物理等战略领域中被广泛应用，当面临复杂的物质机理难题时，缪子往往能够帮助人们找到隐藏在原子层级的线索。

缪子成像与无损检测：为金字塔和火山做CT。照相是一项古老的技术，相机能够留下我们肉眼可及的影像，而X光可以利用高能电磁波进一步穿透物体表面，并通过计算机辅助断层成像技术（CT），重建出物体内部结构图像，满足医学和安检等需求。与其他成像技术相比，宇宙射线产生的缪子具有成本低、分布广、穿透力强、对人体无害的优势，科学家们开始采用缪子进行大型建筑结构的成像，其中最为“出圈”的当属2017年报道的一项工作：研究人员利用缪子成像技术，在著名的胡夫金字塔中首次发现了一条30米长的密室，而自十九世纪来，这是任何其他技术手段都无法实现的。除此之外，缪子成像还成功应用于火山、矿山、隧道、楼体等内部结构的监测中；更有趣的是，缪子在和不同物质相互作用时会发出特征信号，由此能分析出样品的详细成分，还可以和缪子成像结合起来，对大型车辆中的核材料进行安检，甚至监视核反应堆运行状况，可谓是拥有一双“火眼金睛”！

利用缪子断层成像进行车辆安检扫描

（图片来源：左图—Los Alamos Research Quarterly；右图—INFN）

缪子导航定位：无所不至的信使。导航APP已经成为了我们生活中不可或缺的一部分，它们本质上是通过覆盖全球的卫星导航系统（GNSS）进行定位，如我国的北斗系统和美国的GPS系统。然而电磁波信号易受到墙体、地层、水体的遮挡，并且有被干扰和拦截的风险。宇宙射线缪子穿透性强，不受人为操控，因此，在深海、深地等极端环境下，或对保密性要求较高的前提下，缪子将是合适的导航定位信息载体。近年来，美国海军研究署和日本东京大学等机构都在进行不依赖卫星的缪子导航定位研究，据相关研究论文报道，定位试验的精度可达到厘米量级。

缪子催化核聚变：终极能源之梦。在太阳内部，较轻原子核在超高温高压的条件下间距被压缩至极小，进而聚变成一个较重原子核、释放巨大的能量，这是养育地球万物的能量来源。核聚变几乎不产生核废料、地球上可用的燃料近似为无限多，在能源危机的阴影下，驾驭核聚变反应是人类一直以来的梦想。目前，可控核聚变的大多数实验方案是将燃料加热至上亿度，进而发生“热核反应”，这对工程设计提出了巨大挑战。为了寻找实现“冷核反应”的可能性，科学家提出在常温条件下利用缪子催化核聚变：由于缪子质量远大于电子，原子核俘获缪子后形成的缪原子也将远小于常规原子，将增加原子发生聚变的机会。1956年，美国物理学家路易斯-阿尔瓦雷斯（Luis Walter Alvarez, 1911—1988）曾首次观测到了这种现象，但走向实际应用前还有诸多挑战，至今相关研究仍在持续。

中国“人造太阳”EAST托卡马克装置实验照片

（图片来源：Xiang Gao et al 2017 Nucl. Fusion 57 056021）

缪子与新物理：探寻宇宙的真相。虽然标准模型取得了巨大的成功，但它并不能解释“中微子为什么有质量？”、“宇宙中的反物质为什么远远少于物质？”等问题；也无法将宏观与微观的各种现象完全统一起来，给出宇宙起源的终极答案。中微子分为三种类型：电子中微子、缪子中微子和陶子中微子，它们也被称作中微子的“味道”。科学家在1998年至2001年的一系列实验中发现了“中微子振荡”现象，表明中微子具有质量，且它们的味道可以发生改变。

中微子振荡

（图片来源：Higgstan）

然而，在标准模型中，电子、缪子、陶子这些带电轻子的味道又是严格守恒的。科学家认为，这种守恒不一定是必然的，因此“带电轻子味道破坏（CLFV）过程”是下一个新物理现象的热门候选者。近几十年来，国际研究人员对CLFV过程进行了大量高精度测量，相关工作集中在缪子到电子的直接衰变或转化过程。近年，中山大学也提出了“正反缪子素转化实验（MACE）”，预计将实验灵敏度提升100倍以上，期望观测到相关新物理现象。此外，国际学界基于缪子的独特优势还提出了“缪子对撞机”计划。由于带电粒子在偏转时会释放同步辐射，它们的能量将会降低，这不利于提升电子对撞机的能量；而缪子较大的质量使其受到的影响极小，能够实现超高的对撞能量。也许在不久的未来，这种超级对撞机将有能力让我们更加接近基本物理问题的答案。

正反缪子素转化实验装置概念

（图片来源：中山大学物理学院、中山大学缪子科学与技术平台（筹））

路漫漫而修远兮

1831年，法拉第发现电磁感应，并发明制造了首个发电机和电动机的雏形；1897年，汤姆孙首次发现电子……直到现在，手机电脑等电子产品已走入寻常百姓家。在两百多年的历程中，对电子的研究帮助人们从工业时代跨越到信息时代，人们的生活水平获得了极大提高。

我们能够认为，若没有科学家共同对自然界本质愈发深入的探索，就无法对相关现象产生愈发精准的认识，也就无法利用相应原理来发展技术应用、造福人类的日常生活；同时，这些技术应用又打造了科学家手中高效且可靠的研究工具，推动前沿科学的进一步发展。

目前全世界现有的缪子源设施，集中在美国、加拿大、英国、瑞士和日本。过去，我国缺乏支持建设缪子源的质子或重离子加速器条件，若想在加速器上进行研究，科学家们只能通过国际合作提交申请，极大限制了我国在相关领域的发展。得益于近年来我国经济与科技实力与日俱增，中国加速器驱动嬗变研究装置、强流重离子加速器装置、中国散裂中子源和上海光源等“大国重器”纷纷落地，这些大科学装置上均有缪子源建设计划提出，预计性能赶超国际水平。

建设中的强流重离子加速器装置（HIAF）和加速器驱动嬗变系统（CiADS）

（图片来源：中国科学院近代物理研究所）

如今，距缪子的首次发现不过一百年，作为电子的“兄弟”，缪子物理研究的旅程才刚刚开始。随着我国相关大科学装置与缪子源设施的建设，我们未来一定能通过缪子发现更多物理现象、发展出更加先进的技术应用，使我国在加速器技术、粒子探测技术等重要领发展方向上占据优势地位，推动人类进一步加深对微观世界及宇宙的认识。下一个将改变世界的“意外发现”，或许正隐藏在今天的某个实验室数据中，等待着我们敞开怀抱，去找到它天鹅般的高贵潜质。

内容来自：中国科普博览

文章来源：科普中国