【導語】近日，中國散裂中子源二期工程在廣東東莞正式啟動，其中引人注目的“繆子源實驗站”將成為該項目的新亮點。繆子，這一微觀世界的“神兵利器”，究竟是何方神聖？它又如何成為探索材料內部磁性奧秘的鑰匙？中國科學院物理研究所研究員羅會仟將為糖心免费视频揭開繆子的神秘麵紗，並介紹即將上線的中國繆子源實驗站——MELODY。這一創新項目不僅將填補國內空白，更將為全球繆子科學研究注入新的活力。

作者：羅(luō)會(huì)仟(qiān)

近(jìn)日(rì)，位(wèi)於廣東東莞的中國散裂中子源正式啟動二期工程，其中有個令人耳目一新的“繆子源實驗站”，將是這台“超級顯微鏡”的新一大亮點。

那麽，什麽是繆子？繆子源是用來幹嘛的呢？

大家好！我是中國科學院物理研究所的研究員——羅會仟。今天糖心免费视频一起聊聊繆子這個微觀世界的神兵利器！

繆子（μ子）大家聽起來或許很陌生，但大家去翻一下“基本粒子標準模型”表格就會發現它位於最下麵一行，屬於“三代輕子”裏的老二。輕子裏的老三叫做陶子（τ子），老大就是大家最熟悉的電子，叫輕子的原因在於它們的質量很輕，而且糖心免费视频尚不知曉它們能否再分。至於繆子為什麽取名叫繆，其實就是希臘字母μ的音譯而已！跟它是不是老二沒有關係。

雖然繆子隻是“輕子老二”，它擁有的質量大約是電子的207倍，是質子的1/9。電子存在正電子和負電子兩種形式的“正反粒子”，繆子也同樣存在正繆子和負繆子，所以糖心免费视频可以把帶負電的繆子看做特大號的電子（即負電子），帶正電的正繆子當做特小號的質子。

可別小瞧這個看起來中不(bù)溜(liū)兒(ér)的(de)繆(móu)子(zi)，它(tā)可(kě)以(yǐ)作(zuò)為(wèi)非(fēi)常(cháng)獨(dú)特(tè)的(de)微(wēi)觀(guān)世(shì)界(jiè)“探(tàn)針(zhēn)”，以(yǐ)極(jí)其(qí)精(jīng)確(què)的(de)方(fāng)式(shì)，帶(dài)我(wǒ)們(men)洞(dòng)悉(xī)材(cái)料(liào)內(nèi)部(bù)磁(cí)性(xìng)的(de)奧(ào)秘(mì)。不(bù)同(tóng)於(yú)宏(hóng)觀(guān)的(de)磁(cí)性(xìng)測(cè)量(liàng)，繆(móu)子(zi)告(gào)訴(su)我(wǒ)們(men)的(de)是(shì)微(wēi)觀(guān)磁性，因為它是與原子的磁矩發生相互作用的。能做到的這一點的還有中子，但中子要比繆子重9倍，磁性太微弱的時候幾乎無能為力，這個時候就必須要靠繆子來救場了。

正繆子是天生的“右撇子”

因為繆子有一個非常獨到的特點——它們都是天生的“右撇子”。如果糖心免费视频用一束高能質子去轟擊鈹或碳原子核，就會在表麵產生一個死賴不走的(de)π介(jiè)子(zi)，然(rán)後(hòu)它(tā)會(huì)迅(xùn)速(sù)衰(shuāi)變(biàn)成(chéng)一(yī)個(gè)正(zhèng)繆(móu)子(zi)和(hé)一(yī)個(gè)正(zhèng)繆(móu)子(zi)中(zhōng)微(wēi)子(zi)。基(jī)於(yú)能(néng)量(liàng)守(shǒu)恒(héng)和(hé)動(dòng)量(liàng)守(shǒu)恒(héng)定(dìng)律(lǜ)，再(zài)加(jiā)上(shàng)楊(yáng)振(zhèn)寧(níng)-李(li)政(zhèng)道(dào)發(fā)現(xiàn)的弱相互作用宇稱不守恒定律，糖心免费视频會發現那個中微子是個左撇子，而繆子則是右撇子。確切來說，繆子的自旋會和它的動量方向反向鎖定，這個正繆子就像一個自帶指南針尾巴的小號質子，遇到磁場會產生極其敏感的反應。

如果糖心免费视频把一束確定方向的正繆子入射到材料內部，會發生什麽呢？這束繆子會停留在材料某個深度位置，然後在2.2微秒時間裏就會搖身一變成為輕子界的老大——正電子，伴隨的“小弟”還有電子中微子和繆子中微子。因為正電子是在相同環境下產生的，所以它們會四麵八方散開，考慮到正繆子是個天生右撇子，那麽正電子的分布就會出現1/3的不對稱性。換句話說，在繆子運動方向後方探測的正電子數量是前方的1/3。

但是，如果材料內部的原子存在磁矩，因為原子質量要遠遠大於繆子，繆子的自帶指南針就會被原子的磁矩“牽著鼻子轉”而發生進動，就像繞著磁矩的方向轉圈圈跳舞，進動的頻率直接和磁場成正比，這就是繆子自旋的“旋轉”。如果遇到的原子磁矩是方向和大小都雜亂無章的，那麽原本整齊劃一的繆子就會被打亂，最終“潰不成軍”，它的旋轉也會隨時間不斷衰減，又叫(jiào)做“馳豫”。如果遇到的原子磁矩是有特定排列的，換句話說，就是材料存在特定的磁有序結構，那麽繆子的進動(dòng)就(jiù)會(huì)產(chǎn)生特定的節奏，甚至跳舞的節奏與磁矩一直，這就是“共振”。通過測量飛出來的正電子分布的不對稱性隨時間的具體演變行為，就能推測出材料內部微觀磁性的行為。

所以，當一束繆子遇到(dào)一(yī)大群原子，這群天然“右撇子”就會發生三種不同的動力學行為“旋轉”、“馳豫”和“共振”，對應的英文單詞是Rotation、Relaxation和Resonance，也就是三個“R”。用繆子作為微觀磁性探針的技術，又叫做“μSR”，其中S就是spin 自旋，R就是旋轉、馳豫和共振的合體。

μSR技術是極其精密的磁性探測手段，它又分為三種測量方式：零場μSR——就是完全不加外磁場來探測材料內部磁場的大小；縱場μSR——就是加一個和繆子動量方向平行的磁場來掙脫來自材料內部磁場的束縛；橫場μSR——就是加一個和繆子動量方向垂直的磁場，繆子在馳豫的同時還是發生振蕩，測量其振蕩周期和衰減行為就可以進一步得到內部磁場的具體分布形式。這三種方式互為補充，可以把材料內部的磁場摸的一清二楚。

μSR的特點是磁場越小越敏感，因為馳豫的時間會更長。它能探測僅有地磁場1/5的微弱磁場（0.1 G），甚(shén)至(zhì)原(yuán)子(zi)核(hé)本(běn)身(shēn)的(de)磁(cí)矩(ju)也(yě)逃(táo)不(bù)過(guò)它(tā)的(de)法(fǎ)眼(yǎn)。不(bù)僅(jǐn)是(shì)靜(jìng)態(tài)的(de)磁(cí)性(xìng)，動(dòng)態(tài)的(de)磁(cí)漲(zhǎng)落(luò)也(yě)能(néng)敏(mǐn)感(gǎn)捕(bǔ)捉(zhuō)到(dào)，精(jīng)度(dù)為(wèi)104-1012Hz。μSR還(hái)對(duì)探(tàn)測(cè)樣(yàng)品(pǐn)不(bù)挑(tiāo)，固體、液體甚至氣體都可以，探測環境除了電場不能加之外，可以加磁場、光場、低溫、高溫、高壓等。可謂是超級顯微鏡的又一大法寶。

中國繆子源實驗站的初步設計方案

雖然μSR神通廣大，但遺憾的是，目前全世界僅有四個繆子源，分別在加拿大、英國、瑞士和日本。通常，繆子源會是散裂中子源的“標配”之一，因為散裂中子源必然會用到高能質子加速器，隻需要在質子經過路上放一個薄薄的鈹靶，就足以能產生μSR所需的繆子。非常驚喜地是，中國散裂中子源二期工程終於啟動，世界上第五個繆子源——中國的繆子源實驗站即將上線。

讓糖心免费视频一起記住中國繆子源的名字——MELODY（美樂迪）！它將把微觀世界的奧秘，變成一首首優美動聽旋律！（注：MELODY全稱為muon sciencetechnology and industry，繆子科學技術與工業應用實驗站）

本文為·創作培育計劃扶持作品

作者：羅會仟

審核：張雙南 中國科學院高能物理研究所 研究員

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司