如果你想探索基礎物理學的前沿，你必須以非常高的能量碰撞粒子：有足夠的能量，你可以產生不穩定的粒子和狀態，這些粒子和狀態在我們日常的低能量宇宙中是不存在的。只要你遵守宇宙守恆定律，並且有足夠的自由能量，你就可以通過愛因斯坦的E=mc²從能量中創造出任意大質量粒子（或其反粒子）。
2014 年 LHC 高能量碰撞產生的粒子軌跡顯示了許多新粒子的產生
傳統上，有兩種策略可以做到這一點。
- 碰撞電子向一個方向移動，正電子向相反方向移動，將光束調諧到與您希望產生的粒子質量相對應的能量。
- 在一個方向上碰撞質子與另一個質子或反質子碰撞，達到更高的能量，但產生更加混亂，不太可控的信號來提取。
諾貝爾獎得主卡洛·魯比亞呼籲物理學家們建造一個全新的設備：一個μ介子對撞機。儘管它高大尚，目前並不實用，但它可能是粒子物理學的未來。
粒子和反粒子標準模型
上圖，您可以看到標準模型的粒子和反粒子，這些都已經被發現了。標準模型列表中最晚發現的是希格斯玻色子，由歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）經過長期的努力，終於在本世紀初發現。儘管在大型強子對撞機上還有很多科學工作要做，但它只佔到20世紀30年代末全部數據的2%——粒子物理學家已經在展望下一代的未來對撞機。
所有提出的計劃都涉及到現有技術的擴展版本，這些技術已經在過去或現在的加速器中使用過。我們知道如何直線加速電子、正電子和質子。我們知道如何直線加速電子、正電子和質子。我們知道如何將它們彎曲成一個環，並最大化碰撞能量和每秒碰撞的粒子數。
（上圖說明：擬建的未來圓形對撞機（FCC）的規模，與歐洲核子研究中心（CERN）和Tevatron（以前在費米實驗室運營）的LHC相比。未來圓形對撞機可能是迄今為止對下一代對撞機最具遠見的提議，包括作為擬議科學計劃的各個階段，包括瘦子和質子選項。）
當然，我們可以運用的每種方法都會有優缺點。您可以構建一個線性對撞機，但您能達到的能量將受限於您向這些粒子提供每單位距離能量的能力，以及您構建加速器的時間。缺點是，如果沒有連續注入循環粒子，線性碰撞器的碰撞率較低，收集相同數量的數據的時間也更長。
對撞機的另一種主要風格是歐洲核子研究中心目前使用的風格：環形對撞機。在讓粒子有機會碰撞之前，不要只連續拍攝一次以加速粒子的速度，而是在將粒子彎曲成一個圓圈的同時加快粒子速度，每次旋轉時，向每個順時針和逆時針光束添加越來越多的粒子，您可以在指定的碰撞點設置探測器，並測量有什麼被碰撞出來。
（上圖說明：ATLAS探測器中的一個候選希格斯粒子事件。請注意，即使有清晰的信號和橫向軌跡，也會有大量其他粒子；這是因為質子是複合粒子。這只是因為希格斯粒子給了組成這些粒子的基本成分質量。在足夠高的能量下，目前已知的最基本的粒子可能會分裂。）
這是首選的方法，只要您的隧道足夠長並且您的磁鐵足夠強，對於電子/正電子和質子/質子碰撞器都是如此。與線性對撞機相比，使用環形對撞機，您將獲得：
- 任何時候都有更多的粒子在光束中。
- 在先前的通過中，粒子彼此錯過的機會為千分之一到千分之三。
- 總的來說，碰撞率要大得多，特別是對於像Z-玻色子這樣的低能重粒子。
一般來說，電子/正電子對撞機更適合對已知粒子進行精確研究，而質子/質子對撞機更適合探測能量邊界。
（上圖說明：大型強子對撞機阿特拉斯探測器中的一個四μ介子候選事件。μ介子/反μ介子軌道以紅色突出顯示，因為長壽命μ介子比任何其他不穩定粒子行駛得更遠。大型強子對撞機所獲得的能量足以產生希格斯玻色子；以前的電子-正電子對撞機無法獲得必要的能量。）
事實上，如果你將LHC（將質子與質子碰撞）與同一隧道中的前一個對撞機（LEP，與正電子碰撞）進行比較，你會發現一些令大多數人吃驚的東西：LEP 內部的粒子比之前的粒子要快得多。LHC 內部的那些！
宇宙中的一切都受到真空中光速的限制：299792458米/秒。不可能將任何大質量粒子加速到這個速度，更不用說超過它了。在大型強子對撞機中，粒子被加速到每粒子7 tev的極高能量。考慮到質子的靜止能量只有938兆電子伏（或0.000938兆電子伏），很容易看出它是如何達到299792455米/秒的速度的。
但是LEP的電子和正電子的速度更快：299792457.9964米/秒。然而，儘管速度如此之快，它們的能量僅達到約110吉伏，相當於LHC能量的1.6%。
歐洲核子研究中心的鳥瞰圖
（上圖說明：歐洲核子研究中心的鳥瞰圖，概述大型強子對撞機的周長（共27公里）。同一隧道以前也被用來容納電子正電子對撞機LEP。LEP 的粒子比LHC 的粒子快得多，但是LHC質子攜帶的能量比LEP電子或正電子攜帶的能量要大得多。）
讓我們先了解碰撞粒子是如何產生新粒子的，產生新粒子的能量——E=mc²中的“E”來自兩個碰撞粒子的質量中心能量。在質子-質子碰撞中，是內部結構發生碰撞：夸克和膠子。每一個質子的能量被分成許多組成粒子，這些粒子也在質子內部穿梭。當它們中的兩個碰撞時，產生新粒子的能量可能仍然很大（高達2或3 tev），但不是全 14 TeV。
但電子-正電子的概念要乾脆利索得多：它們不是複合粒子，也沒有內部結構或能量在成分之間分配。以相反的方向將電子和正電子加速到相同的速度，100%的能量用於產生新的粒子。但是它不會接近14TeV。
（許多不同的輕子對撞機，其亮度（測量碰撞速率和探測次數）是質量碰撞能量中心的函數。請注意，紅線是一個環形碰撞器選項，它提供了比線性版本更多的碰撞，但是隨著能量的增加，它會變得不那麼優越。超過380gev，圓形對撞機無法達到這些能量，像clic這樣的線性對撞機是更好的選擇。）
儘管電子和正電子比質子快得多，但粒子擁有的能量總量是由其速度和原始質量決定的。儘管電子和正電子更接近光速，但其中近2000個電子和正電子需要組成與質子一樣多的靜止質量。它們的速度更快，但靜止質量要低得多，因此總的來說，能量更低。
有一個很好的物理原因，為什麼即使有相同的半徑環和相同的強磁場將它們彎曲成一個環，電子也不能達到與質子相同的能量：同步輻射。當你用磁場加速帶電粒子時，它會發出輻射，這意味著它會帶走能量。
（上圖說明：相對論電子和正電子可以加速到非常高的速度，但會在足夠高的能量下發出同步輻射（藍色），阻止它們更快地移動。這個同步輻射是盧瑟福多年前預測的輻射的相對論模擬，如果你用引力場來代替電磁場和電荷，它就有一個引力類比。）
輻射出去的能量量取決於場強（平方），粒子的能量（平方），也取決於粒子的固有電荷質量比（與四次方）。由於電子和正電子的電荷與質子的電荷相同，但只有質子質量的1/1836，所以在環形對撞機中，同步輻射是電子-正電子系統的限制因素。你需要一個100公里左右的環形對撞機，以便在下一代粒子加速器中利用電子和正電子產生一對頂級反夸克。
這就是使用μ介子的重要思想。μ子（和反μ子）是電子（和正電子）的表親，是：
- 基本（而非複合）粒子，
- 它的質量是電子的206倍（電荷質量比小得多，同步輻射小得多）。
- 而且，與電子或正電子不同，它從根本上是不穩定的。
最後一個區別是目前的釋放機制：μ介子在衰變前的平均壽命只有2.2微秒。
（上圖說明：費米實驗室的一個早期設計方案（現在已經失效），它是世界上僅次於歐洲核子研究中心（CERN）大型強子對撞機的第二大粒子加速器的源頭。）
然而，在將來，我們可能無論如何都能解決這個問題。你看，愛因斯坦的狹義相對論告訴我們，隨著粒子越來越接近光速，在觀察者的參照系中，粒子的時間會變長。換句話說，如果我們讓這個μ介子移動得足夠快，我們就可以顯著地增加它在衰變前的壽命；這就是為什麼宇宙射線μ子一直穿過我們的原因！
如果我們能將μ介子加速到與LHC質子在先前數據採集運行中獲得的能量相同的6.5 tev，那麼μ介子將存活135000微秒，而不是2.2微秒：足夠的時間在衰變前繞LHC循環1500次。如果你能以這樣的速度撞擊一對μ介子/反μ介子對，你將擁有100%的能量——全部13 tev——可以用來製造粒子。
201兆赫射頻模塊
（上圖說明：在費米實驗室組裝期間，展示了裝有銅腔的201兆赫射頻模塊原型。該裝置可以聚焦和準直μ介子束，使μ介子加速並存活2.2微秒以上。）
人類總是可以選擇建造一個更大的環或者投資於製造更強的磁場；這是粒子物理學中獲得更高能量的簡單方法。但是對於電子和正電子的同步輻射，還沒有治癒方法；你必須用更重的粒子來代替。對於質子內部的多組分粒子之間的能量分配，沒有治癒方法；你必須使用基本粒子來代替。
μ介子是一個可以解決這兩個問題的粒子。唯一的缺點是它們不穩定，很難長時間存活。然而，它們很容易製造：將質子束粉碎成一片丙烯酸，你就會產生介子，介子會同時衰變為介子和反介子。把這些μ介子加速到高能，並將它們準直成束，然後你可以把它們放在一個環形的對撞機裡。
（上圖說明：雖然許多不穩定粒子（基本粒子和複合粒子）都可以在粒子物理學中產生，但只有質子、中子（束縛在原子核中）和電子以及它們的反物質對應物和光子是穩定的。其他的一切都是短暫的，但是如果μ介子能保持足夠高的速度，它們的壽命可能足夠長，足以製造出下一代粒子對撞機)
MICE的合作，也就是μ介子電離冷卻實驗，繼續將這項技術推向新的高度，並可能使μ介子對撞機成為未來真正的可能。我們的目標是揭示大自然在等待我們的任何秘密，而這些秘密是我們無法預測的。
正如卡洛·魯比亞自己說：“這些基本的選擇來自自然，而不是個人。理論家可以做他們喜歡做的事，但最終決定權在自然。”
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