激光技术突破：桌面设备即可产生μ子束，开启便携式透视新时代

十大品牌 2025年10月12日 00:30 0 admin

信息来源：https://www.sciencenews.org/article/lasers-muons-beams-accelerator

科学家们正在用激光改写粒子物理学的规则。多个研究团队近期成功利用激光驱动的紧凑型加速器产生了μ子束，这一突破性成就将原本需要公里级巨型设施才能完成的任务压缩到了实验室桌面大小的设备中。这项技术革新不仅为基础科学研究开辟了新路径，更有望催生便携式扫描设备，用于探测集装箱内的核材料或透视建筑结构。

传统的μ子产生方法需要依赖大型粒子加速器设施，这些设备往往占地数公里，建设和运营成本极其昂贵。然而，加州劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队展示了一种截然不同的方法：在仅30厘米的距离内，激光驱动的等离子体加速器就能将电子加速到100亿电子伏特的能量，进而产生数十亿电子伏特能量的μ子束。这意味着传统加速器需要的千倍长度被压缩到了保龄球瓶的长度以内。

从天然稀缺到人工丰富

μ子是一种与电子性质相似但质量更大的亚原子粒子，其独特的穿透能力使其成为探测固体物质内部结构的理想工具。在自然界中，宇宙射线与地球大气层相互作用会产生μ子，科学家们已经利用这些天然μ子成功透视了金字塔、火山等大型结构。

然而，天然μ子的稀缺性严重限制了其实际应用。每分钟仅有一个μ子降落在地球表面的每平方厘米区域，这使得成像过程极其缓慢。英国迪德科特卢瑟福阿普尔顿实验室的拉吉夫·帕塔蒂尔指出："在繁忙的航运港口，你无法真正将集装箱连续几个小时放在那里等待获得图像。"人工μ子束的出现将彻底改变这一状况，使μ子成像技术具备实用价值。

帕塔蒂尔进一步解释了μ子的独特优势："如果你真的想穿透数米厚的混凝土、石头甚至金属，μ子是实现这一目标的最佳粒子。"由于μ子的质量比电子大约重200倍，它们在穿透物质时不容易发生散射，能够携带更多关于内部结构的信息传递到探测器。

技术革新的多点开花

研究人员正在使用伯克利实验室激光加速器（如图所示）等设施来加速电子并产生称为 μ 子的亚原子粒子束。托尔·斯威夫特/伯克利实验室

这一技术突破并非单一团队的成果，而是全球多个研究机构协同努力的结果。除了伯克利实验室的工作，意大利贝尔法斯特女王大学的吉安卢卡·萨里团队在罗马尼亚的极光基础设施核物理设施也成功产生了能量高达10亿电子伏特的μ子。该团队基于粒子在探测器中的能量沉积模式来识别μ子，相关研究成果已在预印本服务器arXiv上发布。

与此同时，上海超强超快激光设施的研究人员也取得了类似的成果。上海光学与精密机械研究所的物理学家王文涛领导的团队专注于研究这些能量水平下μ子产生的基本机制，为理解激光驱动μ子产生的物理过程提供了重要见解。

马里兰大学帕克分校的物理学家贾伦·施罗克参与了多项相关研究，他形象地描述了这一技术革新的意义："你可以将一公里规模的机器变成适合实验室的设备。"

从实验室走向应用