中国的首个缪子源，即将上线！

罗会仟

（中国散裂中子源外景）

2024年，位于广东东莞的中国散裂中子源正式启动二期工程，其中有个令人耳目一新的“缪子源实验站”，将是这台“超级显微镜”的新一大亮点。

那么，什么是缪子？缪子源是用来干嘛的呢？

（基本粒子的标准模型）

缪子（μ子）大家听起来或许很陌生，但大家去翻一下“基本粒子标准模型”表格就会发现它位于最下面一行，属于“三代轻子”里的老二。轻子里的老三叫做陶子（τ子），老大就是大家最熟悉的电子，叫轻子的原因在于它们的质量很轻，而且我们尚不知晓它们能否再分。至于缪子为什么取名叫缪，其实就是希腊字母μ的音译而已！跟它是不是老二没有关系。

（质子、缪子、电子的质量比较）

虽然缪子只是“轻子老二”，它拥有的质量大约是电子的207倍，是质子的1/9。电子存在正电子和负电子两种形式的“正反粒子”，缪子也同样存在正缪子和负缪子，所以我们可以把带负电的缪子看做特大号的电子（即负电子），带正电的正缪子当做特小号的质子。

（Co-60贝塔衰变过程宇称不守恒）

可别小瞧这个看起来中不溜儿的缪子，它可以作为非常独特的微观世界“探针”，以极其精确的方式，带我们洞悉材料内部磁性的奥秘。不同于宏观的磁性测量，缪子告诉我们的是微观磁性，因为它是与原子的磁矩发生相互作用的。能做到的这一点的还有中子，但中子要比缪子重9倍，磁性太微弱的时候几乎无能为力，这个时候就必须要靠缪子来救场了。

（缪子的产生方法）

因为缪子有一个非常独到的特点——它们都是天生的“右撇子”。如果我们用一束高能质子去轰击铍或碳原子核，就会在表面产生一个死赖不走的π介子，然后它会迅速衰变成一个正缪子和一个正缪子中微子。基于能量守恒和动量守恒定律，再加上杨振宁-李政道发现的弱相互作用宇称不守恒定律，我们会发现那个中微子是个左撇子，而缪子则是右撇子。确切来说，缪子的自旋会和它的动量方向反向锁定，这个正缪子就像一个自带指南针尾巴的小号质子，遇到磁场会产生极其敏感的反应。

（μSR的基本过程）

如果我们把一束确定方向的正缪子入射到材料内部，会发生什么呢？这束缪子会停留在材料某个深度位置，然后在2.2微秒时间里就会摇身一变成为轻子界的老大——正电子，伴随的“小弟”还有电子中微子和缪子中微子。因为正电子是在相同环境下产生的，所以它们会四面八方散开，考虑到正缪子是个天生右撇子，那么正电子的分布就会出现1/3的不对称性。换句话说，在缪子运动方向后方探测的正电子数量是前方的1/3。

（μSR的基本原理）

但是，如果材料内部的原子存在磁矩，因为原子质量要远远大于缪子，缪子的自带指南针就会被原子的磁矩“牵着鼻子转”而发生进动，就像绕着磁矩的方向转圈圈跳舞，进动的频率直接和磁场成正比，这就是缪子自旋的“旋转”。如果遇到的原子磁矩是方向和大小都杂乱无章的，那么原本整齐划一的缪子就会被打乱，最终“溃不成军”，它的旋转也会随时间不断衰减，又叫做“驰豫”。如果遇到的原子磁矩是有特定排列的，换句话说，就是材料存在特定的磁有序结构，那么缪子的进动就会产生特定的节奏，甚至跳舞的节奏与磁矩一直，这就是“共振”。通过测量飞出来的正电子分布的不对称性随时间的具体演变行为，就能推测出材料内部微观磁性的行为。

（加拿大缪子源）

所以，当一束缪子遇到一大群原子，这群天然“右撇子”就会发生三种不同的动力学行为“旋转”、“驰豫”和“共振”，对应的英文单词是Rotation、Relaxation和Resonance，也就是三个“R”。用缪子作为微观磁性探针的技术，又叫做“μSR”，其中S就是spin 自旋，R就是旋转、驰豫和共振的合体。

（英国卢瑟福阿普尔顿实验室的散裂中子源和缪子源）

μSR技术是极其精密的磁性探测手段，它又分为三种测量方式：零场μSR——就是完全不加外磁场来探测材料内部磁场的大小；纵场μSR——就是加一个和缪子动量方向平行的磁场来挣脱来自材料内部磁场的束缚；横场μSR——就是加一个和缪子动量方向垂直的磁场，缪子在驰豫的同时还是发生振荡，测量其振荡周期和衰减行为就可以进一步得到内部磁场的具体分布形式。这三种方式互为补充，可以把材料内部的磁场摸的一清二楚。

（瑞士保罗谢勒研究所的缪子源）

μSR的特点是磁场越小越敏感，因为驰豫的时间会更长。它能探测仅有地磁场1/5的微弱磁场（0.1 G），甚至原子核本身的磁矩也逃不过它的法眼。不仅是静态的磁性，动态的磁涨落也能敏感捕捉到，精度为10⁴-10¹² Hz。μSR还对探测样品不挑，固体、液体甚至气体都可以，探测环境除了电场不能加之外，可以加磁场、光场、低温、高温、高压等。可谓是超级显微镜的又一大法宝。

（日本散裂中子源/缪子源）

虽然μSR神通广大，但遗憾的是，目前全世界仅有四个缪子源，分别在加拿大、英国、瑞士和日本。通常，缪子源会是散裂中子源的“标配”之一，因为散裂中子源必然会用到高能质子加速器，只需要在质子经过路上放一个薄薄的铍靶/碳靶，就足以能产生μSR所需的缪子。非常惊喜地是，中国散裂中子源二期工程终于启动，世界上第五个缪子源——中国的缪子源实验站即将上线。

（中国缪子源实验站设计图）

让我们一起记住中国缪子源的名字——MELODY（美乐迪）！它将把微观世界的奥秘，变成一首首优美动听旋律！（注：MELODY全称为muon science technology and industry，缪子科学技术与工业应用实验站）

【作者注】此文刊载于科普中国，此为原文。