DIMUS：费米实验室的超紧凑双μ子原子能谱对撞机

尽管双μ子原子 $(\mu^+\mu^-)$ 尚未被观测到，但它具有极其基础的重要性。得益于更大的质量，双μ子原子比早已被发现的正电子素或μ子素对其标准模型之外的效应具有更高的灵敏度，同时又不受大 QCD 不确定性的影响。双μ子原子可在 $e^+e^-$ 碰撞中以大纵向动量产生，使其能在离束流交叉点一小段距离处衰变，从而避免prompt背景。我们设想一个独特且具成本效益、时间线快的机遇，通过对费米实验室现有 FAST/NML 设施进行适度改造，安排 408 MeV 电子与正电子以 75$^{\rm o}$ 角碰撞，从而在产生阈值处大量产生 $(\mu^+\mu^-)$ 原子。这台周长 23 m 的紧凑型对撞机（DIMUS）将允许对 QED 进行精确检验，并为搜寻与μ子耦合的新物理打开大门。费米实验室的 FAST/NML 非常适于 DIMUS，因为已有 SRF 加速器与基础设施，能够产生高能、高流强电子与正电子束，足以达到 $O(10^{32})\mathrm{cm}^2\mathrm{s}^{-1}$ 亮度以及每年约 0.5 百万双μ子。扩建需安装第二个 SRF 低温模组、正电子产生与积累系统、快速注入/引出冲击磁铁以及两个小周长交叉环。一个约米尺寸的探测器，配备多层现代像素化硅探测器与基于晶体的电磁量能器，将确保在 Bhabba 散射背景下观测双μ子原子到正负电子对的衰变。该系统的进一步扩展将使 DIMUS 的物理计划涵盖对 $e^{+}e^{-}$ 碰撞中产生的μ子、π介子和 $\eta$ 介子稀有过程的精确研究。