你在这里
js65金沙线路总站唐健教授团队在缪子物理方面取得重要进展
撰稿人：唐健
粒子物理标准模型是目前人类所建立的最成功的理论，但宇宙中仍有大量未解之谜等待人们去探索：物质为何多于反物质？中微子的质量起源是什么？什么是暗物质？……因此，寻找超越标准模型的新物理成为粒子物理学家最关注的前沿课题之一。中微子振荡的发现对标准模型提出了挑战，证明了中性轻子上存在味道不守恒的现象。那么带电轻子（如电子e、缪子μ和陶子τ）是否也具有这种性质？若能够在带电轻子部分观测到味破坏现象，将是确认新物理存在的有力证据。
缪子是寻找带电轻子味破坏（charged Lepton Flavor Violation, cLFV）过程的理想探针。在基于强流加速器的缪子束流设施上，目前已提出或正在运行的新一代相关实验包括日本J-PARC的COMET实验、美国Fermilab的Mu2e实验、瑞士PSI的Mu3e实验和MEG-II实验，主要通过寻找缪子cLFV衰变过程探索超越标准模型的新物理。此外，多种新物理模型还预言了正反缪子素转化过程（μ+e-→μ-e+），著名物理学家布鲁诺·庞蒂科夫（1913-1993）和史蒂文·温伯格（1933-2021）等人也曾在早期相关研究中做出了重要贡献。该过程破坏了两单位的轻子味，是其他缪子cLFV过程研究的重要补充。1999年，在瑞士PSI进行的MACS实验为其转化概率给出了最新限制结果，但此后的二十多年来尚无新一代实验提出。随着探测器技术和加速器技术的发展，对正反缪子素转化过程的寻找具有很大的改进空间。
图1 MACE实验探测器系统示意图
当前，粤港澳大湾区三大加速器中心均提出建设缪子源的计划，相关指标处于国际领先水平。在这个关键契机下，js65金沙线路总站唐健教授团队提出正反缪子素转化实验（Muonium-to-Antimuonium Conversion Experiment, MACE），期望利用“十二五”国家重大科技基础设施——加速器驱动嬗变研究装置（China initiative Accelerator Driven System, CiADS）上在建的表面缪子束流，目标是发现正反缪子素转化过程或大幅改进其转化概率限制，为超越标准模型新物理提供有力实验证据，物理灵敏度较当今最好实验结果提高100倍以上。标准模型有效场论框架下的计算表明，MACE实验对新物理的探测能力有超越传统对撞机实验的潜力，并可与未来缪子-电子对撞机形成有效互补。该实验将有助于我国在缪子物理领域取得重大突破。
图2 标准模型有效场论框架下，MACE实验与上一代MACS实验、缪子对撞机及大型强子对撞机的新物理潜力的对比。
MACE实验概念设计报告于2024年8月26日举行的评审会上得到专家一致通过。近期，相关研究论文以“Conceptual Design of the Muonium-to-Antimuonium Conversion Experiment (MACE)”为题，被中科院一区TOP期刊《Nuclear Science and Techniques》接收发表。该论文以MACE工作组名义发表，js65金沙线路总站为第一署名单位，主要贡献者包括js65金沙线路总站2023级硕博连读研究生赵诗涵（arXiv预印本投稿作者）、js65金沙线路总站2023级博士研究生陈思远、2025级硕士生黄胤元、白爱毓，和js65金沙线路总站本科生鲁桂昊、王志超、江昊等，js65金沙线路总站唐健教授为论文通讯作者。其他参与者来自中科院近代物理研究所、中科院高能物理研究所、先进能源科学与技术广东省实验室（东江实验室）、南方核科学理论中心、山东大学、湖南大学、辽宁大学、南卡罗莱纳大学及米兰大学等二十余所国内外科研单位，工作组成员超过五十人。
该项研究获得国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广州市自然科学基金、中山大学重大科研平台预研等项目的支持。
参考文献：
Bai, AY., Cai, HJ., Chen, CL. et al. Conceptual design of the muonium-to-antimuonium conversion experiment (MACE). Nuclear Science and Techniques 37, 57 (2026).