First measurement of the low-momentum negative-muon beam for the muon-to-electron conversion experiment at J-PARC
COMET Phase- 实验在 2023 年成功演示了低动量负缪子通过传输螺线管传输至实验区域的过程，尽管存在 30% 的系统性产额差异，但仍为束流特性提供了首次实验基准，并验证了模拟模型。
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在亚原子世界中，粒子通常遵循一套严格的规则：μ子（一种电子的重型近亲）最终应该衰变为一个电子和一些不可见的粒子，但它绝不应该在原子内部静止时直接变成一个电子。物理学家长期以来一直在寻找这一规则的一个罕见例外，即一种μ子在金属靶中停止运动并直接转化为电子而不产生任何其他粒子的过程。如果这种转化被发现，它将粉碎粒子物理学的标准模型——即目前关于宇宙运作方式的最佳理论——并暗示存在全新的力或粒子。为了捕捉这一稍纵即逝的事件，科学家需要一台能够提供一种非常特殊束流的机器：一种经过精心过滤和引导至精确停止点的、慢速移动的带负电的μ子流。挑战在于，这些粒子难以产生，而且更难操控，尤其是在它们移动缓慢的时候。
在日本质子加速器研究综合装置（J-PARC），一支研究团队最近为建造用于此类搜索所需的机器迈出了关键一步。他们对一个旨在捕获并传输这些慢速μ子的新设施进行了首次试运行。这项被称为 Phase-α 的实验并非是对该转化过程本身的最终搜索，而是一项至关重要的工程测试，旨在证明该设施确实能够交付其设计用于承载的束流。研究人员将一股强大的质子束射向目标以产生新的粒子流，然后利用一个巨大的弧形磁性隧道对这些碎片进行筛选。他们的目标是观察是否能够成功地引导这些慢速的负μ子穿过该隧道进入实验区，在那里它们会停下来并等待那场罕见的转化发生。
团队使用了一种名为“量程计数器”（Range Counter）的专用探测器来统计通过这段旅程的μ子数量。该设备的工作原理类似于一个陷阱：它允许带电粒子进入，通过石墨层使其减速，最后将其停在一个铜块中。当μ子停在铜中时，它最终会发生衰变，并在短时间后释放出一个电子。通过等待这个延迟出现的电子，探测器可以确认曾有一个μ子停在那里，从而将其与其它粒子的混乱背景区分开来。研究人员发现，他们确实成功地将可测量的慢速负μ子束传输到了实验区。该束流并非杂乱无章的粒子喷射；它集中在低动量区域，这意味着μ子的移动速度正是未来实验所需的慢速状态。
团队还绘制了束流在弯曲磁性隧道中传输时的形状图。他们发现，束流并非沿完美直线或均匀圆周运动。相反，它会向特定方向漂移，当探测器向上移动时，束流产率受到的抑制比向下移动时更为强烈。这种模式符合物理学中关于带电粒子在弯曲磁场中行为的预测，证实了磁力正按照设计者的意图引导着束流。研究人员将其实际测量结果与整个过程的详细计算机模拟进行了对比。虽然模拟正确预测了束流的总体形状和行为，但他们实际计数的μ子数量比计算机估计的高出约百分之三十。
这种差异并非失败，而是一项宝贵的发现。它告诉科学家，他们目前关于这些粒子如何产生以及如何与束流中的材料相互作用的模型仍有细微的不完整之处。束流能够到达目的地，且其行为符合磁场的预期物理特性，这一事实证明了该设施已准备好进入下一阶段。实验成功证明了这套复杂的磁体和隧道系统可以交付进行主搜索所需的慢速负μ子。随着这一首个基准的建立，团队现在拥有了真实数据来完善他们的计算机模型，从而确保在进行大规模实验时，他们能准确预知会有多少μ子以及它们会在哪里出现。这次成功的试运行标志着从建造机器到理解机器运作方式的转变，为未来的新物理学搜索奠定了必要的基础。
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