用激光制造的μ子看穿铅块

μ子（muon）是电子的“重量级表亲”。由于质量大得多，它穿过物质时损失的能量很少，能穿透极厚的岩石或金属。

这正是μ子成像（muography）的原理：用μ子给巨大或致密的物体拍“X光片”。2017年，它揭示了胡夫金字塔内部的一个大型空腔；它还被用来探测浅间山和埃特纳火山等火山，以及矿井、铁路隧道、冰川和货运集装箱。

天空μ子的局限

迄今为止，μ子成像只能依靠宇宙线μ子——宇宙射线撞击大气层时自然产生的μ子。它们的通量很低，每平方厘米每秒大约一个μ子，因此曝光时间很长。它们主要来自上方，其能量和方向也无人能控制。

替代方案是：用激光制造人造μ子束。“激光尾波场加速”可以在几厘米长的气体中把电子加速到约10 GeV。这些电子撞击固体靶时会产生μ子。激光产生的μ子于2025年在上海和伯克利的BELLA激光装置上首次得到证实，但当时只是间接探测到的。

实验

这项工作在罗马尼亚马古雷莱（Măgurele）的ELI-NP（极端光基础设施—核物理，Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics）完成，使用的是其10拍瓦激光臂：在23飞秒内输出230焦耳，最多每分钟一发。整个实验共用了230发。

• 一个60毫米的气体靶产生了能量最高达8 GeV的电子。
• 这些电子撞击一块40 × 40 × 50厘米的铅块。在铅块中，伽马射线产生了μ子—反μ子对（贝特—海特勒过程）。
• 厚重的屏蔽层——100厘米聚乙烯、60厘米石蜡、铅，以及一堵2米厚的钢筋混凝土墙——挡住了不需要的中子和伽马射线。
• 三台专为μ子成像打造的探测器记录了这束μ子。其中一台名为µ36的探测器装在一辆厢式车上，被开到距源20米、29米和42米处，并向侧面偏移最多6米。
• 详细的蒙特卡罗模拟（GEANT4）根据实测电子能谱，逐发再现了整个装置。

测量结果

• 束流剖面： 一个以轴线为中心的峰，在20米处宽4.51米（半高宽），在29米处宽6.35米，对应约12.6°的张角。模拟给出的数值为4.43米和6.27米。
• 在20米处，探测器中沉积的能量有86.9%来自μ子，尽管不需要的粒子数量更多。
• μ子能量：几个GeV，最高可达6–7 GeV。μ子至少需要1.5 GeV才能到达探测器。
• 成像： 一个20 × 25 × 100厘米的铅制物体放置在距源23米处，用30发激光完成成像。重建出的尺寸为22.5–25厘米，而实际物体厚25厘米。其后方的信号下降约26%。分辨率为2.5厘米，即一根探测器条的宽度。
• 在模拟中，如果没有μ子，伽马射线和中子无法产生这样的图像，只会形成平坦的本底。

超越天空μ子

据作者介绍，这是首次以激光驱动的人造μ子束为主导的成像。人造源能提供更强的通量，并可控制方向和能量——不必再靠天吃饭。它还可用于μ子自旋谱学和中微子研究。下一轮实验的目标是更高的电子能量，以及专为高通量设计的探测器。