一项高精度实验正在探寻一种被禁的粒子翻转现象，该现象或能揭示出隐匿于表象之下的全新物理规律。

由中山大学与中国科学院近代物理研究所的科学家牵头的一项重大国际研究，促成了一项名为MACE的新实验。该实验旨在探究μ子素（一种由正μ子与电子构成的短寿命体系）能否自发转变为反μ子素（其对应的反物质形态）。

根据现有物理学理论，此类变化本不应发生。若能探测到这一现象，则意味着轻子味守恒定律（粒子物理学标准模型的核心原则之一）遭到了破坏，并将为超越当今理论框架的新物理学提供直接证据。

研究团队解释道：“μ子素向反μ子素的转化，是探索轻子领域新物理现象的一种清晰且独特的探测手段。”“与其他带电轻子味改变过程不同，这种转化对∆Lℓ = 2模型极为敏感，而这些模型在本质上截然不同，有可能揭示出其他实验无法触及的物理现象。”

打造一场具备空前灵敏度的实验

关于μ子素转化为反μ子素的最强实验限制可追溯至1999年，该数据由瑞士保罗谢勒研究所测定得出。MACE实验旨在大幅突破这一成果，将灵敏度提升两个数量级以上，力求探测到低至O(10⁻¹³)量级的转化概率。要实现如此高精度的测量，需在从粒子束到探测器的整个实验系统中取得全方位进展。

关键部件包括高强度表面缪子束流、专为缪子素生成而优化设计的新型二氧化硅气凝胶靶材，以及能从强背景噪声中甄别出极罕见信号的先进探测系统。

“我们的设计融合了先进的光束技术、μ介子产生靶技术以及探测器技术，从而在强大的背景干扰中分离出信号，”该团队表示，“这使得MACE成为搜寻轻子味破缺现象的、最为灵敏的低能实验项目之一。”

这一发现对物理学意味着什么

若观测成功，科学家将得以在能量尺度达10-100太电子伏特（TeV）的范围内探索全新的物理学领域，这一能量范围可与未来粒子对撞机有望触及的范畴相媲美，甚至更胜一筹。此外，MACE项目还规划了第一阶段计划，旨在探寻更多罕见的μ子素衰变现象及轻子味破坏过程，如M→γγ和μ→eγγ等，其探测灵敏度将达到前所未有的水平。

该项目的益处不仅局限于基础物理学领域。为MACE项目所研发的技术，诸如先进的μ子素生成靶材、低能正电子传输系统以及高分辨率探测器等，同样能够为材料科学、医疗技术及其他应用领域的研究提供有力支撑。

全球粒子物理学领域的更广泛推进

MACE项目是依托惠州主要科研设施（包括强流重离子加速器装置（HIAF）和中国加速器驱动嬗变研究装置（CiADS））开展的一项大型科研工作的一部分。这些项目共同致力于强化中国在高精度核物理与粒子物理领域的地位。借助这些世界一流的科研设施，MACE项目彰显了基础研究如何能够推动技术发展与国际合作。

研究团队指出：“我们不仅仅是在搭建一项实验装置，更是在为探索自然法则开启一扇新的窗口。从束流传输线到软件系统，MACE的每一组件都经过精心优化，旨在探索那些有望重塑我们对物质、对称性乃至宇宙本质认知的物理学领域。”

参考文献：《μ子素向反μ子素转化实验（MACE）的概念设计》，作者：白爱雨、蔡汉杰、陈长林、陈思源、陈旭荣、陈宇、程伟斌、戴凌云、范瑞瑞、龚莉、郭子豪、何源、侯志龙、黄茵媛、贾欢、姜浩、景汉涛、康晓申、李海波、李金成、李阳、刘大明、刘淑林、陆桂浩、苗晗、宁云松、牛建伟、彭华星、阿列克谢·A·彼得罗夫、秦元帅、孙明晨、唐健、唐静宇、田野、王荣、王晓东、王毅、王志超、吴晨、邢天羽、熊伟志、徐宇、闫宝军、姚德亮、于涛、袁野、袁毅、张瑶、张永超、张志律、赵广、赵世晗，2026年1月28日，刊载于《核科学与技术》。DOI：10.1007/s41365-025-01876-0