摘要：激光器打出高能电子束，电子束轰击金属靶，一束全新的μ子源诞生了。这是人类首次在激光实验室里造出这种神秘粒子。5月29日《自然·物理学》刊登了中国工程物理研究院、广东实验室、中国科学院等机构研究团队的突破：他们用超短超强激光，实现了μ子的高效产生，产量达到每入射

激光器打出高能电子束，电子束轰击金属靶，一束全新的μ子源诞生了。这是人类首次在激光实验室里造出这种神秘粒子。5月29日《自然·物理学》刊登了中国工程物理研究院、广东实验室、中国科学院等机构研究团队的突破：他们用超短超强激光，实现了μ子的高效产生，产量达到每入射一个电子产生0.01个μ子。传统路子要么靠天上掉（宇宙射线），要么靠大机器（质子加速器），前者太稀罕后者太昂贵。激光方案一出现，小型实验室搞μ子研究的门槛哐当一声砸了下来。

图释：通过高能电子束产生 μ 子的两种方案。使用激光尾流场加速的高能电子束产生 μ 子有两种可能的途径。一种是通过 Bethe-Heitler （BH） 工艺，另一种是通过 π 介子的衰变，包括光产生/电产生。其中，通过 BH 工艺产生的 μ 子具有较高的能量，倾向于沿电子束的入射方向发射，而 π 介子衰变产生的 μ 子具有较低的能量，并且均匀分布在 4π 立体角中。图片来源：Zhang et al.

​μ子是个狠角色，比电子重200多倍，寿命却只有可怜的百万分之二点二秒（2.2微秒）。它像一把精密钥匙，能捅开粒子物理标准模型的大门，也可能捅出新物理的锁眼。研究μ子对撞、μ子衰变、μ子自旋，甚至拿它当探针给火山断层或者核废料容器做‘透视’（μ子成像），都得有稳定充足的μ子源。过去几十年，这事基本被大型质子加速器垄断，建一个动辄几十亿，不是普通实验室玩得起的。

图释：实验装置示意图。图片来源：自然物理学 （2025）。DOI： 10.1038/s41567-025-02872-2

​激光怎么造μ子？核心两步走。第一步：超强超短激光脉冲打进气体，激光在等离子体里‘犁’出一道道波谷（尾波场），电子像冲浪一样被疯狂加速，瞬间提到GeV能量级别——相当于传统加速器几百米的跑道，激光几厘米就搞定了。第二步：把这束高能电子当‘炮弹’，狠狠砸向高原子序数的金属转换靶（比如钽）。电子与靶原子核猛烈碰撞，能量转化出高能伽马光子，光子再与核作用，两条主要路径诞生μ子：一是光子直接和核作用生成正负μ子对（贝特-海特勒过程），这类μ子能量高、方向性强，顺着电子束方向冲；二是光子先撞出π介子，π介子再衰变成μ子（伴随中微子），这类μ子能量低，四面八方乱飞。

最难的不是产生，是确认。高能电子打靶，瞬间爆发的伽马射线、中子、正负电子等次级辐射像暴雨，探测器都快被淹了，传统磁谱仪根本分不清谁是μ子。中国团队剑走偏锋：不拼实时探测，拼‘死后验尸’——专抓μ子那独一无二的‘死亡计时’。2.2微秒，这是μ子静止衰变的特征寿命。他们布置了厚厚的屏蔽体阻挡瞬发辐射，在靶后方放上对停止μ子敏感的塑料闪烁体探测器阵列。当高能μ子穿入探测器并停下（变成‘热’μ子），它将在平均2.2微秒后衰变出一个电子（或正电子）。探测器捕捉这个延迟信号，统计大量事件画出‘寿命谱’。实验结果清晰无误：一条标准的指数衰减曲线，时间常数稳稳钉在2.2微秒上。这就是μ子的‘死亡身份证’。

这次实验每发激光能轰出约1000万（10⁷）个μ子。团队在论文补充材料里算了笔账：在优化条件下，表面μ子（能量较低、适合应用）和衰变μ子的产率有望达到每秒上千个。别小看这个数，它意味着桌面激光系统也能稳定输出μ子束。激光器造μ子，优势太明显：装置紧凑（整个系统能塞进普通实验室），成本低廉（相比质子加速器），时间尺度超快（飞秒激光驱动）。未来，小型实验室也能玩转μ子自旋弛豫（μSR）研究材料磁性，用高能μ子给大型物体做无损‘深度CT’（点投影μ子照相），甚至探索μ子催化核聚变、μ子诱导核激发等前沿课题。

激光造μ子的大门已经撞开，后面紧跟着一串问号：怎么精确控制μ子束的能量分布？角分布能否调得更集中？产率还能翻多少倍？论文通讯作者顾瑜秋透露，团队下一步就瞄准这些核心参数测量，同时着手推进μ子点投影照相、全光μ子加速等应用验证。一条曾经被大科学装置垄断的赛道，正被激光照出一条崭新的捷径。

参考文献：

Feng Zhang et al, Proof-of-principle demonstration of muon production with an ultrashort high-intensity laser, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02872-2 .

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来源：科学剃刀