1. 英国ISIS中子和缪子源

ISIS中子和μ子源位于Rutherford Appleton Laboratory，上世纪八十年代建成了世界上首个脉冲型μ子源，其位置位于第一靶站上游，如图3-1所示，布局如图3-2所示[1-3]。

图3-1：ISIS中子与缪子源

图3-2：ISIS中子与μ子源中的μ束线布局

通过在中子散裂靶前放置薄石墨靶，质子束功率损失不大，在束线两侧收集产生的μ子，其中一侧为EC Muon Facility，提供表面μ束，在末端有三台μSR谱仪：HiFi，EMU和MuSR。双脉冲μ子束流其中一个束团通过脉冲劈束的方式为EMU和HiFi平分，另外一个束团为MuSR供束。另一侧为日本RIKEN于上世纪九十年代投资建造RIKEN-RAL Muon Facility，现已转交给ISIS，它提供衰变μ束，共有4个束流终端开展缪催化聚变、基于μSR技术的物质结构探索等研究。

参考文献：

[1] ISIS muon source website：https：//www.isis.stfc.ac.uk/Pages/Muons.aspx
[2] Hillier A D，Adam D J，Baker P J et al. J. Phys.：Conf. Ser.，2014，551：012067
[3] Matsuzaki T，Ishida K，Nagamine K et al. Nucl. Instru. and Meth. A，2001，465：365

2. 日本J-PARC/MUSE缪子源

日本J-PARC的缪子源MUSE[1-4]设计较为复杂，μ子束线呈X型，共有4条束线：H-line，D-line，S-line和U-line。布局图如图3-3所示。D-line是最早建成使用的束线，可以为终端提供表面缪束和衰变缪束，共有两个子终端D1和D2。S-line是专门提供表面缪束的实验终端，共有四个子终端，为S1-S4。四个终端只有其中的两个可以同时工作。H-line主要用于为高能物理实验提供高动量的衰变缪束。U-line是慢缪束线，前端使用SuperOmega束线提供表面缪束，经过激光慢化后，得到能量可调节的慢缪束流。

图3-3：J-PARC/MUSE缪子源

参考文献：

[1] J-PARC Muon Facility. https://j-parc.jp/researcher/MatLife/en/instrumentation/ms.html

[2] Miyake Y, Shimomura K, Kawamura N, et al. Current status of the J-PARC muon facility, MUSE[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2014, 551:012061.

[3] A.D.Pant, T.Adachi, P.Strasser, et al. Characterization and optimization of ultra slow muon beam at J-PARC/MUSE: A simulation study. Nucl. Instru. and Meth. A，2019，929：129-133

[4] Kawamura N, Toyoda A, Aoki M, et al. The H line: a brand new beam line for fundamental physics at the J-PARC muon facility[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2013, 408:012072.

3. PSI/SμS缪子源

瑞士PSI使用两台串级的强流质子回旋加速器（HIPA）为μ子束线群提供590MeV的连续波型强流质子束，拥有目前国际上最庞大的μ子束线群，也是世界上唯一以缪子科学为主、中子科学为辅的实验室。其布局图如图3-4所示[1]。PSI共有7条束线提供μ束或者π束，分别为：PiM1、PiM3、PiE1、PiE3、PiE5、MuE1和MuE4，可以覆盖从几keV的慢μ束到动量250MeV/c的衰变μ束。比如PiM3是一条专门用于基于表面μ束的μSR实验的束线，设计有3个终端，目前只有两个在使用，分别有μSR谱仪GPS和LTF；μE1束线提供高动量的衰变μ束，用于大体积样品的μSR实验；μE4-LEM则用于提供慢化μ束，为薄膜样品或者样品表层研究提供慢μ束。总之，PiM3、PiE3、PiE1、MuE1和MuE4束线终端开展μSR或LE-μSR实验。PiE1、PiE5和PiM1主要收集π束流，用于进行高能物理实验，比如PiE1上进行的Mu3E实验主要用于寻找稀有衰变[2]。

图3-4：PSI的SμS缪子源布局

参考文献：

[1] PSI LMU website. https://www.psi.ch/en/lmu

[2] Bravar, A. The Mu3e Experiment at PSI[J]. Nuclear & Particle Physics Proceedings, 2015, 260:155-159.

4. TRIUMF/CMMS缪子源

加拿大TRIUMF是世界上最早建立起高强度μ子源的实验室之一。其μ子源（CMMS）如图3-5所示[1]。TRIUMF使用回旋质子加速器提供520MeV的质子束来轰击两个靶T1和T2。目前共有四条μ子束线在运行：M9、M11、M15、M20，除了M11用于探测器测试外，其余三条束线用于开展μSR实验：M9A、M15、M20（C和D双终端）用于开展基于表面μ束的μSR实验，M9B用于开展基于衰变缪的μSR实验。M13束线已经拆除，用于安置超冷中子（Ultra-Cold Neutrons，UCN）。

图3-5：TRIUMF/CMMS缪子源[2]

参考文献：

[1] TRIUMF/CMMS website. http://cmms.triumf.ca/

[2] TRIUMF five years plan 2010-2015: https://www.triumf.ca/sites/default/files/TRIUMF%20Five-Year%20Plan%202010-2015.pdf

5. 日本RCNP/MuSIC缪子源

2014年日本大阪大学RCNP在为缪子物理实验COMET作俘获螺线管技术验证的基础上建成了一条μ束线，称为MuSIC，如图3.6所示，并在随后的几年进行了束流测试，为μSR实验或μ子原子X射线分析提供负μ束流。它第一个在μ束线采用了超导俘获螺线管，现在仍然是连续μ束线中唯一采用的，拥有最高的俘获效率。

图3-6：RCNP/MuSIC缪子源（M1 μ束线）

参考文献：

[1] Matsumoto, Yuki et al., A New DC Muon Beam Line at RCNP, Osaka University[C]. 6th Int. Particle Accelerator Conf. (IPAC’15), Richmond, VA, USA, May 2018, pp. 2537-2540.

[2] S Cook et al 2013 J. Phys.: Conf. Ser. 408 012079

3.2 开展粒子物理研究的缪子源

在μ子的反常磁矩测量方面，在早期CERN和美国BNL实验室的研究人员开展的g-2实验基础上，现在费米实验室（FNAL）接替BNL以进一步提高实验精度，日本的J-PARC/MUSE也有计划进行类似的实验。在带电轻子味破坏的实验方面，已经或者计划开展的利用μ子进行实验的主要有美国FNAL的Mu2e、日本J-PARC的COMET、PSI的MEG-II等。

1. FNAL g-2实验

g-2实验[1-2]主要测量μ子的反常磁矩，μ子的旋磁比略大于2，而SM型预言的就是2，精度为百万分之四，这一微小的差异意味着，可能存在其他粒子与μ子相互作用，使g不再是预言值。CERN最早进行了g-2实验（1959-1977年）。从1997年开始，BNL继续进行了4年的g-2实验，进一步提高了实验精度。目前，BNL的g-2实验已转移到FNAL进行，以期进一步提高实验精度。利用其加速器提供的8GeV质子束产生μ子进行g-2实验，打靶产生的π介子经过270m的传输后进入到一个环从而给介子提供更长的衰变时间并减少质子的污染，随后注入到储存环（从BNL移转过来）中，进行g-2实验测量。因为环的磁场测量和探测系统都有所改进，期望获得更好的结果。图3-8为g-2实验装置布局。

图3-7：FNAL g-2实验布局图

（黑色的为质子加速器主链，红色的为新建的Muon Campus）

参考文献：

[1] Chapelain A. The Muon g-2 experiment at Fermilab[C]// European Physical Journal Web of Conferences. European Physical Journal Web of Conferences, 2017.

[2] 费米实验室网站http://muon-g-2.fnal.gov/2-the-physics-of-g-2.html

2. FNAL Mu2e实验

Mu2e实验[1]是寻找μ子直接衰变到电子的稀有衰变。此实验计划于2023年开始正式运行，通过采用3个大的超导螺线管来完成μ子的俘获到衰变的“一站式服务”。前端8GeV的脉冲质子束轰击钨靶，得到π介子经过螺线管收集传输直至安装有探测器的探测段，如图3-9所示[2]。整个装置由3段螺线管组成，左端是收集螺线管，磁场由4.7T逐渐降至2.5T，中间段为衰变螺线管，呈s型，中间设置有D型的准直器，用以去除高能量的μ子，从而只有低能的μ^-往下传输，减小了实验的本底。最后是一段探测段，在此段螺线管安装有探测器。由于Mu2e实验需要达到 的灵敏度，这需要约为 量级的μ子事例数积累并且背景噪音小于1，这对整个装置精度的控制和屏蔽提出了很高要求。全段有很多各种材料做成的多层屏蔽，如在质子束打靶段设置了束流准直器，能够精确地将不需要的质子屏蔽；后端超导螺线管也有铜作为屏蔽层覆盖。

图3-8：FNAL的Mu2e实验装置示意图

参考文献：

[1] Bartoszek L，Barnes E，Miller J P et al. Mu2e Technical Design Report，2015，arXiv：1501.05241

[2] Litchfield R P. Muon to electron conversion: The COMET and Mu2e experiments[J]. Physics, 2014.

3. J-PARC COMET实验

日本在J-PARC上推动了与Mu2e类似的缪子物理实验COMET的建设[1]。COMET与Mu2e的设计不同，且能够获得的缪束流强是后者的三倍左右，所以预计能够在更短的时间内完成实验取数。

COMET设计了两个阶段的实验，在第一个阶段，拟进行数十天的实验，使用的装置如图3-10所示，通过收集螺线管收集质子打靶产生的π介子，而后经过一个偏转九十度的螺线管做动量筛选。在衰变节中，π介子衰变成μ^-。后面段放置了停止靶，μ子在这里打靶并产生可能的稀有衰变μ^- → e^-。

图3-9：J-PARC的COMET一期实验装置示意图

COMET二期装置是在一期装置的基础上多加了一个C型的传输段（衰变节），通过两次动量筛选，进一步降低了能传输的带宽，后面的探测段使用的弯曲螺线管也会对产生的电子做一动量筛选，主要会收集到动量为100MeV/c左右的电子，这个动量也是在μ^- → e^-中电子的动量附近。

图3-10：COMET二期实验装置示意图

参考文献：

[1]. Litchfield R P. Muon to electron conversion: The COMET and Mu2e experiments[J]. Physics, 2014.

4. PSI MEG-II实验

    在PSI上开展的MEG一期实验几年前已经结束，现升级为MEG-II实验。该实验利用PSI SμS的PiE5束线，实验的目的主要是找寻μ子的稀有衰变道μ⁺ → e⁺γ。SM预言该衰变的分支比小于10^-50，因此是不能观测的，但是有新理论预测该分支比在10^-14量级甚至更高。

MEG实验相比于之前的实验，极大地提高了精确度，在90%的置信度上测得该衰变道的分支比小于4.2×10^-13量级[1]。MEG团队于2016年5月发表了最终结果，该团队通过分析从2008年开始至2009年的实验数据，约 个事例数，没有发现μ⁺ → e⁺γ衰变事例[2]。为了寻求更高的精度，正在开展MEG-Ⅱ实验，通过改进探测器以提高探测精度。另外，随着μ束线本身的升级，预期束流强度相较MEG提升2倍以上。MEG-II的探测器已于2020年建设完成。预计将实验结果在MEG的基础上提升10倍[3]。

参考文献：

[1]. https://en.wikipedia.org/wiki/Mu_to_E_Gamma

[2] Toshinori, Mori. Final results of the MEG experiment[J]. IL Nuovo Cimento Della Societa Italiana Di Fisica C Geophysics & Space Physics, 2016.

[3] Baldini A M , Baracchini E , Bemporad C , et al. The design of the MEG II experiment[J]. The European Physical Journal C, 2018, 78(5):1-60.