🚣🏿 👨🏾‍🏫 💆 询问第90号伊森：介子，相对论和新纪录 ➿ 🤸🏽 💃🏼

作为狭义相对论的第一个测试，它可以导致创造有史以来最大的粒子加速器。

似乎过去已经过去，而现在却在不断变化。它使您不稳定。
- 汤姆·斯托帕德

我们在整个宇宙中观察到的每个自然现象都由相同的粒子组成：质子，中子和电子以及光子。至少通常是这样认为的，但是与它们有关的是大量的中微子，反中微子，大量的暗物质以及一系列不稳定的高能粒子。其中之一，μ子成为MegaN00B用户提出的一个非常有趣的问题：

最近，您在博客中提到宇宙射线在进入大气层时会产生粒子（在我看来，μ子），而相对论如何帮助μ子进一步发展呢？它们之所以可以，因为它们必须先衰变才能到达表面。
从μ子的角度来看，这条路是什么样的？

让我们重新开始，向您介绍有关介子的知识。

我们几乎知道的所有事物-原子，分子，行星，恒星，星云，星系-都是由几种众所周知的基本粒子产生的：光子，电子，胶子以及构成质子和中子的夸克。还有中微子和反中微子很少与物质以及暗物质发生相互作用，我们只能通过重力来知道它们的存在。所有其他可以创建的事物，所有其他基本粒子都是非常不稳定的，也就是说，它们会随着时间的流逝而衰减，变得更容易，更稳定。

在所有这些不稳定的粒子中，μ子最接近稳定的粒子，因为它的“寿命”很长，平均长度为2.2微秒，比其他粒子长几个数量级。 Muon-好像电子的表弟，仅重，但具有相同的特性：
•轻子数，
•电荷，
•自旋，
•磁矩，

但重206倍，并且解决了量子命题后，衰减为电子和两个中微子。

奇怪的是，如果您将手平行于地球延伸，那么每秒钟就会有一个介子通过它。这些介子诞生于大气层的上部，高能粒子（也称为宇宙射线）不断撞击其中。这些主要是质子，但是能量很高：它们撞击到原子中的程度如此之大，以至于引起大量的粒子空气喷淋-物质/反物质对的出现，以及重的不稳定粒子（如介子），它们也可能衰变（例如，变成同一个介子））

这并不会让您感到惊讶：如果您听说过E = mc ²，您就会知道，可以通过以足够高的速度碰撞两个粒子来自发创建新粒子。我们计算出：即使粒子以接近光速，300,000 km / s的速度运动并活了2.2微秒，它们在衰变之前也必须行进不超过660米。

但是，我说的是这些粒子是在大气的上部（距地球约100公里或100,000米）中产生的事实！从我们的角度来看，μ子不应该飞到地面上。但是，爱因斯坦可以节省一切-物体越接近光速，它们的时钟就越慢。

从我们的角度来看，与静止的介子相比，以99.9995％的光速运动的介子将经历的时间流减慢了1000倍。因此，它可以代替660米的路径飞行，而是可以飞行660公里，然后才能衰减。这种平均寿命为2.2μs的介子的差异意味着，^它们到达您的机会不是10 ^66中的一个机会（他们将有这样的机会而无需任何时间扩张），而是他们有86％的机会这样做。

而且从介子的侧面看会如何？从他的角度来看，时间正常地流逝，他出现在高层大气中，然后跌落到大地。但是对他来说，“接地”与我们的意义完全不同！

笨蛋觉得自己的时间正常，但整个世界都以光速99.9995％向他移动。除了减慢时间以外，μ子还看到了缩短长度的效果，也就是说，他需要行驶的100公里的距离在他看来更小了1000倍，即100米。即使您从他的角度计算，他也有86％的机会在地球腐烂之前到达地球。

意识到所有这些都会导致我们产生诱惑：如果通过将μ子几乎加速到光速来延长其寿命，也许我们可以使用它来创建理想的粒子加速器！

通常在加速器/对撞机中，我们使用稳定的粒子（或反粒子），例如电子，正电子，质子，反质子。使用电场使粒子加速，并通过磁场使粒子弯曲。环非常重要，因为可以重复使用相同的“路径”，从而将粒子加速到更高的能量，并使其与光的速度相差远远小于每秒一公里。

但是有一个问题。我们希望获得与LHC在电子-正电子对撞机上可用的相同能量。当两个质子在LHC中碰撞时，碰撞能量不仅分布在每个质子的所有三个夸克之间，而且分布在内部的所有胶子之间。您不仅会失去几乎难以获得的所有能量，而且还会得到很多“垃圾”，因为所有这些带有胶子的夸克都会在检测器中造成完全的混乱。

但是在电子-正电子对撞机上，物理上不可能获得与质子上相同的能量。大型电子正对撞机以前使用的是现在在大型强子对撞机中工作的27公里长的隧道。但是，尽管在大型强子对撞机上可以达到13 TeV或13,000,000,000,000 eV的能量，但在BEC上却可以达到114 GeV或114,000,000,000 eV的能量。差一百倍在哪里？并不是因为环的大小（它们是相同的），也不是因为磁体的强度（如果过去有今天的磁体，什么也不会改变），而是因为带电粒子会加速，从而在磁场中弯曲其路径，并发出。

这种效应被称为同步辐射，它使带电粒子损失的能量与质量的四次方成反比。这意味着比质子重1836倍的电子失去的能量快10 ¹³倍！遗憾的是，如果我们能够以与强子相同的能量碰撞电子和正电子，那么我们可以更准确地测量质心的更高能量，并在探测器中获得更好的数据。

但是如果我们可以利用μ子中的时间膨胀的优势，就可以制造出μ子对撞机，因为它是电子的206倍，因此重量使我们损失的能量比每次通过环后电子损失的能量少20亿倍。

虽然建造μ子对撞机需要克服一些障碍，但是如果我们可以将μ子（和反μ子）带入平行光束并以足够的初始速度使其进入加速器环，我们可以将其加速至光速的99.999％，推动并打开关于宇宙的更令人惊奇的事实-包括高精度物理学以及希格斯玻色子和上夸克等粒子的衰变。

关于在Fermilab中创建μon加速器的程序的春季工作会议刚刚结束（2015年5月）。在顶部，您可以看到201 MHz MICE无线电模块的原型，每米长度可将微子加速11 MeV，同时还降低了横向速度，这是维持波束平行性所必需的。该技术被称为电离冷却，因此缩写为：Moon离子电离冷却实验。

Muon对撞机概念

这曾经是个白日梦，批评家们认为，μ子的寿命永远是一个很大的限制。现在，μ子加速器很可能会成为超越大型强子对撞机能力的加速器，它将打开宇宙的新边界。同样的物理原理-STR的物理原理，延长时间和缩短长度-允许空间介子到达地球表面，将使新的加速器成为可能！（诺贝尔奖获得者卡洛·鲁比亚（Carlo Rubbia）关于基于μ子创建“希格斯工厂”的项目的报告幻灯片）。

感谢您提出的奇妙问题和借口，探索有一天将使我们实现从科幻小说到现实的飞跃的惊人视野。向我发送您对以下文章的问题和建议。

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