縱觀宇宙，人類是物理學中最大的謎團之一。人類是由正常的粒子組成的，比如電子，但是每一個這樣的粒子都有一個反物質伴侶，反物質伴侶實際上和它自己是一樣的，但是帶著相反的電荷。當物質和反物質接觸時，它們會相互湮滅。物理學家認為，物質和反物質在大爆炸中產生的數量幾乎相等。那麼，為什麼今天幾乎只剩下物質了呢?近來，科學家的新研究使科學家們能夠建造一種新型的加速器，這種加速器是基於一種叫做介子的粒子，它可以幫助我們找到答案。

介子

一個介子幾乎和一個電子一樣，只是它比電子重207倍。更重要的是，它會在百萬分之二秒內衰變為其他粒子。雖然這個時間對我們來說很短，但對於一個不穩定的基本粒子來說是相當長的一段時間，這就解釋了為什麼介子構成了幾乎所有到達地球表面的帶電宇宙射線。

我們在最短距離內研究物質結構的能力很大程度上依賴於製造粒子束並將它們加速到高能量。然而，只有四種穩定的粒子可以用這種方式，電子和它的反粒子(正電子)，和質子和它的反粒子(反質子)。由這些粒子組成的粒子束已經使用了許多年，但這兩對粒子束都有缺點。電子和它的夥伴非常輕，當我們試圖加速它們時，它們會輻射出電磁能量，因此很難達到我們需要提高對宇宙理解的那種能量。

與電子不同，質子和反質子是由更基本的粒子組成的——夸克和膠子。在質子和反質子之間的碰撞中，正是這些基本粒子發生碰撞，導致的能量碰撞比質子是真正的基本粒子時要低。

因為介子足夠重，所以輻射的能量要少得多，但它們是基本單位，而不是由更小的粒子組成的，所以它們所有的能量都可以用於研究。當科學家們用質子創造出獲得諾貝爾獎的希格斯粒子時，他們需要一臺直徑10公里的機器:大型強子對撞機。然而，一臺介子機器只要周長200米就可以做到這一點。

介子的缺點是，與電子和質子不同，它們不穩定，需要被製造出來，然後在它們全部衰變之前迅速加以利用。我們可以用一束窄的、高強度的質子束將其射入一個金屬製成的靶中，比如鈦，從而產生介子。這就產生了另一種基本粒子的束，稱為介子。介子形成扇出的光束。如果最初的質子束看起來像一個激光指示器，那麼介子束看起來更像一個火炬束，它的強度隨距離迅速下降。然後介子衰變產生介子，導致光束傳播得更廣，就像燈泡一樣。

我們不能在大型強子對撞機這樣的機器上加速這樣的光束，所以我們需要創造一種擴散更少的光束。這是一個挑戰，因為我們只有百萬分之二秒的時間來產生、加速和碰撞它。來自世界各地的物理學家和工程師組成的團隊——被稱為“介子電離冷卻實驗”(MICE)——現在已經證明了這是可能的。科學家使用了一種被稱為冷卻的方法來幫助壓縮光束。這涉及到在-250°C的液態氫容器中傳遞介子，使粒子減速。然後我們讓它們通過一個電磁空腔，使光束朝要求的方向加速。

通過多次重複這一過程，就有可能創造出一個擴散更少、核密度更大的光束。這種光束可以注入粒子加速器，產生高能的介子束。這樣的中微子束既可以被碰撞，也可以繼續傳播，直到介子衰變成強烈的中微子束——遠遠超過目前可以產生的任何中微子束。

探索宇宙

事實上，由介子產生的中微子束是計劃中的中微子工廠的一部分，這將使我們能夠回答許多與宇宙起源和進化有關的問題，比如物質和反物質之間神秘的不平衡。

中微子還可以幫助我們瞭解生命的基本元素，如氧、碳和硅，它們是在恆星中形成的，是如何在宇宙中傳播的。這些較重的元素並不是在大爆炸中產生的，但卻和我們所居住的星球和我們周圍的所有生命息息相關。我們知道，在恆星爆炸(超新星)中釋放的中微子爆發是罪魁禍首。

​

我們也可以用在大型強子對撞機上對撞質子的方法來對撞兩束介子。例如，由於介子比質子簡單，可以更精確地測定希格斯粒子的性質。介子的性質也使它成為材料物理學領域的一個寶貴工具。創造更緊密聚焦光束的能力可能會改進目前的測量方法，並開闢新的診斷方法。我們的方法也可以用來幫助增加任何其他帶電粒子束的強度。這是一個持續了十幾年的長期項目，未來將發現更多關於介子的奧秘。並最終有望揭示人類的本質，乃至宇宙的本質。

閱讀更多 超弦 的文章

關鍵字: 國創上頭條 2019未來科學大獎 反物質