LHC: A high energy, high luminosity muon-hadron collider at CERN
本文介绍了 LHC 的可行性研究及其科学潜力，这是一个拟议中的高能、高亮度缪子-强子对撞机，旨在通过改造 LHC 基础设施，在欧洲核子研究中心（CERN）实现高达 7.5 TeV 的质心能量，并与其它重大对撞机项目提供独特的协同效应。
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在粒子物理学的核心深处，科学家们不断尝试建造能够以足够力量撞击微小粒子，从而揭示宇宙基本法则的机器。几十年来，这一领域最成功的工具是对撞机，通过将粒子束加速到接近光速的速度，然后让它们相互碰撞。目前的领军者是欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机，它通过撞击质子来寻找像希格斯玻色子这样的新粒子。然而，为了更深入地观察现实的结构，物理学家需要碰撞不同类型的粒子。具体而言，他们对将缪子（muons，电子的重型近亲）与质子进行碰撞感兴趣。这种特定的组合为物质的结构及其维持物质的力量提供了一个独特的窗口，有可能揭示出当前机器无法观测到的物理现象。挑战在于，缪子是不稳定的，且衰变极快，这使得捕捉、冷却并将其加速到碰撞所需的高速变得异常困难。
由名为 HELP4CERN 的研究小组在最近的一项研究中详细阐述的一项新提案，概述了一个大胆的计划，旨在通过在 CERN 建造一座缪子-质子对撞机来克服这些障碍。该团队建议建造一台被称为 LH𝜇C 的机器，它将重复利用拟建的电子-质子对撞机（LHeC）的大部分现有基础设施，以创建一个能够将缪子束撞向质子束的设施。该计划涉及获取质子束，撞击目标以产生π介子，然后捕捉由此产生的缪子。该提案并未采用传统的冷却方法，而是依赖于一种在日本开发的较新技术，即使用一种被称为气凝胶（aerogel）的特殊类玻璃材料来使缪子减速至近乎静止的状态。冷却完成后，这些超冷缪子被加速到一或两个万亿电子伏特（TeV）的能量，然后注入一个储存环，在那里与大型强子对撞机中循环运行的七万亿电子伏特质子束发生碰撞。这种设置将创造高达 7.5 万亿电子伏特的碰撞能量，其动力水平将使其成为生产顶夸克和希格斯玻色子等重粒子的工厂，并具有前所未有的精度。
研究人员已经精确绘制了这台机器将如何运作，从缪子源到记录结果的探测器。设计构想了一个系统，其中缪子在多个阶段进行加速，使用一种新型加速器，在保持粒子沿固定路径运动的同时增加其速度，然后将其转移到一条与现有质子环并行的主环中。当束流最终相遇时，碰撞频率将达到每秒四百万次，并有潜力产生惊人的事件数量供科学家研究。论文指出，即使根据产生缪子的数量进行保守估计，该机器也足以探索广阔的新物理领域。它将允许科学家以目前不可能实现的细节水平来探测质子的内部结构，寻找超越我们现有理解的新力或新粒子的迹象。
除了碰撞本身之外，该项目还提供了一个意外的红利。随着缪子在机器中穿行，它们会自然衰变为中微子，从而产生极其强烈且集中的这些幽灵粒子束。这将为欧洲提供一个独特的、强大的中微子科学平台，使研究人员能够以现有技术无法实现的方式研究这些难以捉摸的粒子。该研究还探讨了建造此类机器的实际挑战，包括如何屏蔽由衰变缪子引起的背景噪声，以及如何设计一个能够应对缪子-质子碰撞独特条件的探测器。虽然论文提出了一个详细的概念并展示了物理目标的可实现性，但它也承认，用于产生和加速缪子的技术仍处于开发和测试阶段。该提案充当了一份路线图，表明通过结合现有技术与新颖创新，高能缪子-质子对撞机有望成为现实，开启人类理解宇宙的新篇章。
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