作者： 陳旭榮 中科院近代物理所研究員

引子

從古至今，人類一直對宇宙有極大的好奇心，比如：我們的宇宙是由什麼構成的？

現代科學認爲，宇宙中的物質大致可以分爲三種：普通可見物質、暗物質、暗能量。我們眼睛所見到的一切物質，包括天上的星星，都是普通可見物質。普通可見物質的質量約佔整個宇宙質量的5%，由“基本粒子”構成，其中99%以上的質量由大約10⁸⁰個質子和中子貢獻。

核子是組成原子核的質子和中子的統稱。核子的質量是怎麼來的呢？

1964年，英國物理學家希格斯（Higgs）提出了希格斯場的存在，並預言了希格斯玻色子（Higgs boson）的存在。在希格斯機制中，希格斯場引起自發對稱性破缺，基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質量。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激發，它通過自相互作用而獲得質量。假若希格斯玻色子被證實存在，則希格斯場也應該存在，從而希格斯機制也被證實。2012年，歐洲核子研究中心宣佈發現希格斯玻色子，也就是所謂的“上帝粒子”。希格斯因爲這項發現獲得了2013年諾貝爾物理學獎。

希格斯機制產生的夸克質量很小，比如上夸克（up quark）和下夸克（down quark）的質量只有幾個MeV。所以含有兩個上夸克和一個下夸克的質子質量只有大約十幾個MeV。但是，我們知道質子真實的質量大約是938 MeV。除由希格斯機制產生的夸克質量外，質子質量主要由相對論性夸克膠子相互作用產生。如何精確地確定質量成分呢？

答案是：需要先搞清楚質子的內部結構。

圖：質子質量約938 MeV, 而由希格斯機制產生的夸克質量約10 MeV

質子內部結構

根據美國物理學家蓋爾曼（Murray Gell-Mann）的夸克模型，質子內部有三個更基本的粒子，稱爲“夸克”。蓋爾曼因該模型獲得了1969年諾貝爾物理學獎。

現在我們知道，質子由夸克和膠子構成，膠子像膠水一樣把夸克膠黏在一起。在極短時間內，膠子可分裂爲一對正反夸克。同樣，這些夸克和反夸克也可聚合爲膠子。

圖：質子內部結構：價夸克、海夸克和膠子

這只是個大致的圖像，還存在更基本的問題有待解決：質子的自旋和質量從何而來？

科學家現在認爲自旋、質量和其它核子性質是由其內部夸克和膠子之間的複雜相互作用產生的。但我們不清楚這究竟是如何發生的。夸克和膠子之間的相互作用，是由一種被稱爲“量子色動力學”（Quantum Chromodynamics，QCD）的理論描述的。

量子色動力學

完整描述強相互作用的理論是量子色動力學，它是粒子物理學“標準模型”的基本理論的一部分。“標準模型”描述了宇宙中除了引力外的已知相互作用力。美國物理學家格羅斯（David Gross）、波利策（David Politzer）和維爾切克（Frank Wilczek）因於1973年發現這個理論的一個重要特性——“漸近自由”而獲得2004年度諾貝爾物理學獎。

QCD漸進自由的性質允許我們在高能微擾區域求解，但目前還不能對非微擾區域的QCD直接求解。

那我們就用高能碰撞實驗去探索吧。

電子探針

質子的半徑要比原子小十萬倍左右，夸克和膠子的尺度比質子還小几個量級。另一方面，核子的性質決定於夸克和膠子的集體行爲，即許多夸克膠子通過非常奇妙複雜的相互作用呈現出來的整體效果。這使得我們很難完全理解質子結構和性質。

我們需要高靈敏度的探針。

自光學顯微鏡誕生以來，科學家們通過光學顯微鏡觀察細菌等微小生物的動態。類似的方法也被應用到物理實驗中來。在20世紀上半葉，物理學家通過X射線衍射“看見”原子。50年前，物理學家在一個電子和質子碰撞的實驗中首次 “看到” 了夸克。這個探測過程被稱爲“深度非彈性散射”（Deep Inelastic Scattering, DIS）。

DIS是一種通過用高速電子束流轟擊質子或原子核來研究其內部結構的先進技術。根據量子力學裏的波長和能量的關係，碰撞過程的能量越高，虛光子的波長越短，探針的尺度也就越小。如果探針比質子本身的尺度還小很多，科學家們就能“看到”質子內部更微小的粒子，也就是可以“看到”質子內部的結構。比如，在十分之一質子尺度下，科學家們能看到價夸克；能量再高點，到質子的百分之一尺度時，就能清晰地看到海夸克；如果尺度在質子的千分之一以下，則可以看到膠子。

圖：電子-質子非彈性散射

第一個DIS實驗最早發生在德國電子同步加速器研究所（DESY）的強子-電子環形加速器HERA上。科學家們進行電子和質子對撞實驗。HERA裝置位於德國漢堡，從1992年一直運行到2007年。其實驗結果雖然促進了我們對核子結構的理解，但還是沒有解決 “自旋危機”。並且，由於HERA裝置沒有重離子束流，從而也不能研究原子核中的夸克和膠子的行爲。

圖：強子-電子環加速器HERA，位於德國漢堡。

就像醫生通過CT對人體三維成像一樣，爲了徹底搞清楚夸克和膠子世界的物理問題，我們需要超級顯微鏡來觀察質子的內部結構和運動規律，也就是——電子離子對撞機。

電子離子對撞機

電子-離子對撞機（Electron Ion Collider, EIC）是一種大型粒子加速器，用沒有內部結構的電子轟擊質子和更重的原子核，探索核子和原子核的內部夸克和膠子的結構及它們之間的相互作用。EIC對撞機的一個優勢是其能量比較高，從而可以更加清晰地看到質子內部結構：質子本身的百分之一到萬分之一尺度的結構。

被視爲“超級多維電子顯微鏡”的EIC，將使我們獲得第一張用夸克和膠子描繪的核子內部世界的高清、三維圖像，最終形成我們對可見宇宙的全新理解。宇宙深處的神祕面紗將被揭開。

建造電子離子對撞機

科學家們正在提出新計劃：建造電子離子對撞機。

建造EIC是國際高能核物理界的最優先研究計劃之一。目前，國際核物理界已基本形成共識：EIC是研究核子、原子核內夸克膠子分佈的最有效裝置。美國和歐洲都正在計劃建造高能電子離子對撞機。

2018年發佈的《美國電子離子對撞機科學評估報告》明確指出了電子離子對撞機在科學上的重要性：“核子質量如何產生等重大科學問題需要一個有高度極化的電子和離子束流的EIC，這個EIC還要有足夠高的亮度以及足夠的並且可調的質心繫能量。這樣一個EIC裝置將是世界上獨一無二的裝置。”

在中國，科學家們也提出了建造中國電子離子對撞機的計劃。

基於我國2050年大科學裝置發展路線圖的規劃，由中國科學院近代物理研究所最早於2012年主導提出，在強流重離子加速器裝置(HIAF，已於2018年底在廣東省惠州市開工建設)的基礎上，添加一條新的電子束流，建成電子束流和質子/重離子束流均極化的中國電子離子對撞機(Electron Ion Collider in China, EicC)。

圖：EicC裝置設計圖

EicC白皮書已在《核技術》在線發表

探針尺度由對撞機的能量決定。EicC的探針尺度大約在質子的百分之一到千分之一左右，是研究海夸克的最佳區域。EicC建成後，將是世界上第一臺運行於海夸克能區的極化電子離子對撞機。

EicC的主要物理目標包括海夸克一維和三維結構的精確測量，原子核結構與性質、奇特強子態和質子質量起源等重大基礎科學問題的研究。相信更廣泛、更深入的物理目標還會被不斷地提出來。

中國EicC和美國EIC主要有什麼不同呢？

能量和物理目標不同。EicC能量位於正在運行的美國傑斐遜實驗室(JLab)裝置和未來高能EIC之間的空白區。三大裝置的物理目標相互補充：EicC主要研究海夸克結構，而美國EIC集中於膠子物理研究，目前正在運行的傑斐遜實驗室則主要研究價夸克結構。

圖：EIC將物質結構研究從價夸克推進至海夸克和膠子層次

展望

電子離子對撞機是目前世界上可提供數據，供科學家最大限度地理解QCD理論的唯一被考慮建設的實驗裝置。但是，建造電子離子對撞機對加速器和探測器等技術提出了巨大的挑戰，這些挑戰將有望促進加速器科學的發展。這將不僅使核物理學科受益，也將推動未來醫學、材料學和芯片工業的發展。

電子離子對撞機的建造與運行，將使核物理的研究迎來一個新的時代。我們期待大批年輕人投入到這項探索核物質結構最前沿的基礎研究中去。

致謝：感謝中國極化電子離子對撞機工作組的專家們，特別感謝南京大學王凡教授爲本文提出許多很有價值的意見和建議。

主要參考文獻：

1. 《中國極化電子離子對撞機計劃》，2020.

http://www.j.sinap.ac.cn/hjs/CN/Y2020/V43/I2/20001

2. Electron Ion Collider: The Next QCD Frontier Understanding the glue that binds us all, arXiv:1212.1701.

3. 美國國家科學院《美國電子離子對撞機科學評估報告》

來源：中國科學院近代物理研究所

編輯：小林綠子

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