上海光学精密机械研究所----上海光机所基于上海超强超短激光实验装置在国际上首次验证台式化缪子源

信息公开

信息公开工作信息

相关规定
信息公开规定
 信息公开指南
 信息公开目录
组织机构
信息公开监督机构信息公开工作机构

年度报告
中国科学院上海光机所2023年度信息公开工作报告
 中科院上海光机所2022年度信息公开工作报告

信息公开

组织机构      发展规划

科研动态      科研成果      成果转化

人才队伍      招生培养

国际合作     科学普及     年度统计     科技期刊

预算决算
系列专题
2023 2022 2021 2020 2019 2018 2017 更多往年专题

超强激光科学卓越创新简报

(第六百五十三期)

2025年5月27日

上海光机所基于上海超强超短激光实验装置在国际上首次验证台式化缪子源

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室，与中国工程物理研究院激光聚变研究中心、近代物理研究所、高能物理研究所、中国科学技术大学等单位，依托上海超强超短激光实验装置（SULF）开展合作实验，利用超快激光尾场加速产生的GeV量级高能电子束与转换靶作用，国际首次完成了台式化缪子源的实验验证。相关成果以"Proof-of-principle demonstration of muon production with an ultrashort high-intensity laser"为题发表于Nature Physics。

缪子是标准模型中组成物质世界的基本粒子之一，属于第二代轻子。它的质量为电子的207倍，被称为“胖电子”，在真空中静止时的寿命约为 2.2微秒，衰变产生一个电子和两个中微子。缪子是基础物理以及应用物理研究的热门领域，其稀有衰变是检验标准模型、寻找新物理的探针；其极强的穿透性可应用于大尺度客体（火山、隧道、金字塔、深海）的透射照相、跨介质通信与导航；基于缪子的磁共振可以用于探测样品内部的微磁场，研究材料特性；它还可以合成缪氢，用于催化聚变研究。目前缪子主要来自宇宙射线或者大型加速器，前者通量非常低，后者则受限于极其有限的装置数量和昂贵的运行成本。随着激光尾场加速技术的快速发展，利用超短脉冲激光已能将电子加速至10 GeV量级，这使得利用这种高能量电子与靶相互作用产生缪子成为可能，从而为缪子提供了一种全新的产生技术途径。2023年，美国国防高级研究计划局启动了面向科学与国家安全的缪子研究计划MuS2；2025年，英国、意大利联合欧盟极端光物理设施ELI规划专用激光缪子束线。

图1 (a)实验装置示意图；(b) 典型电子能谱

研究团队利用SULF的重频拍瓦激光与气体靶相互作用产生了GeV量级高能量电子束，进一步与铅转换靶相互作用产生缪子。研究人员原创性地提出利用缪子较长寿命（约2.2 μs）通过探测其衰变电子并多发次累计的新方法，有效提升了缪子统计量和测量信噪比。高能电子产生缪子机制主要包括Bethe-Heitler和Photo-/electro-production两类机制：前者缪子能量高、方向性好但截面低，后者发射近似4π立体角，截面高出3~4个数量级。厘清激光产生缪子的主导机制对其应用至关重要。研究团队通过多探测器测量缪子角分布，发现激光尾场加速电子与靶材作用生成的缪子特性，更接近4π立体角发射，明确当前激光产生的缪子主要源于含π介子衰变的Photo-/electro-production过程。