電子離子對撞機：核子結(jié)構(gòu)的超級顯微鏡

如果某種大災難摧毀了所有科學知識，而只有一句話傳給下一代生物，那么用最少的詞來表達最多信息的陳述是什么？我相信這是原子假說，即萬物都是由原子組成的，小粒子以永恒運動的方式運動，在彼此相距很小的距離時相互吸引，但相互擠壓時會排斥。如果加上一點想象力和思想，你將在那句話中看到關(guān)于世界的大量信息。——理查德·費曼(Richard P. Feynman)，1964年

1870 年，湯姆孫(Thomson)發(fā)現(xiàn)了電子，并提出原子是由帶負電的電子鑲嵌在帶有正電的均勻球體表面(葡萄干布丁模型)。隨著電子的發(fā)現(xiàn)，以及20 世紀初的科學革命，尤其是在1911 年，英國物理學家盧瑟福(Rutherford) 采用alpha 粒子散射實驗發(fā)現(xiàn)原子擁有一個帶正電荷的高密度中心(原子核)，電子圍繞在原子核外面，讓我們了解到還存在比原子更小的原子核，以及組成原子核的質(zhì)子和中子，統(tǒng)稱核子。

核子作為可見物質(zhì)世界的主要基礎(chǔ)構(gòu)建單元,具有復雜的夸克和膠子內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖2），是當代核物理學前沿領(lǐng)域之一。對核子結(jié)構(gòu)的研究是人們認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最前沿領(lǐng)域，還有一系列根本性的問題有待解決，比如核子質(zhì)量來源、核子自旋起源和夸克膠子禁閉機制等問題。

圖2 物質(zhì)結(jié)構(gòu)，從原子到夸克和膠子

電子-離子對撞機(Electron Ion Collider，EIC)是一種大型粒子加速器，被視作是具有超高分辨率的“三維電子顯微鏡”，是研究核子結(jié)構(gòu)的最理想工具。EIC用沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電子轟擊質(zhì)子和更重的原子核，可以探索核子和原子核內(nèi)部夸克和膠子的結(jié)構(gòu)及它們之間的相互作用。借助這種超級顯微鏡，科學家們能獲得世界上最清楚的核子內(nèi)部三維圖像，人類探索微觀物質(zhì)世界的知識邊界將得到繼續(xù)擴展。

二研究現(xiàn)狀

核物理是研究核物質(zhì)的領(lǐng)域，根據(jù)能標的不同，分為中低能核物理核、高能核物理。強子包括介子和重子, 是能從物質(zhì)中分離出來的、已觀測到的具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最小單元。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，屬于重子。質(zhì)子內(nèi)部的夸克-膠子結(jié)構(gòu)屬于當今人類正在探索的物質(zhì)世界的最深層次，是高能核物理研究的重要領(lǐng)域。

決定強子量子數(shù)的夸克被稱為價夸克，質(zhì)子的價夸克就是(uud)，它們能夠?qū)ν獗憩F(xiàn)出來；除此之外，任何強子都可能包含無限數(shù)量的虛擬“海”夸克、反夸克和膠子，它們不會影響其量子數(shù)。強子色場的膠子分裂時會形成?？淇?，即虛擬夸克-反夸克。反過來兩個?？淇藭螠绯僧a(chǎn)生膠子。在核子內(nèi)部，真空中不斷有正反夸克對產(chǎn)生又湮滅，膠子劈裂又重組，宛如一鍋湯，形成了冒泡，沸騰，動態(tài)復雜的結(jié)構(gòu)。

早期的加速器電子能量低，其德布羅意波的波長較長，所以最初物理學家認為質(zhì)子自旋單純來自組分夸克的自旋。但隨著研究的深入和加速器技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)電子與質(zhì)子高能對撞會產(chǎn)生各種各樣的粒子，這些粒子明顯含有價夸克以外的其他種類夸克。現(xiàn)代觀點認為，質(zhì)子由價夸克(valancequark)，膠子(gluon)和不斷漲落的?？淇?seaquark)組成。

半個多世紀以來，人類對核子結(jié)構(gòu)開展了長期理論和實驗研究。理論上，組分夸克模型在1964年分別由蓋爾曼和茨威格獨立提出，認為介子是由夸克和反夸克所組成，重子是由三個夸克組成。蓋爾曼因此獲得1969年諾貝爾物理學獎?；诳淇四Ｐ偷膹娮幼V研究，一直是核子結(jié)構(gòu)研究的重要方向。實驗方面，有關(guān)核子結(jié)構(gòu)的實驗研究已經(jīng)誕生了三個諾貝爾獎，代表了核子結(jié)構(gòu)研究發(fā)展的主要里程碑，分別是：核子反常磁矩研究(Stern，1943年)，第一次直接證明了質(zhì)子為非點狀粒子；電子散射測量核子的電磁形狀因子(Hofstadter，1961 年)，第一次觀測到核子的電磁結(jié)構(gòu)；深度非彈性散射實驗與核子的夸克結(jié)構(gòu)(Friedmann、Kendall 和Taylor，1990 年)，第一次證實了核子內(nèi)部存在夸克。最近十來年，美國杰斐遜實驗室(JLab)利用較低能量的電子束流對質(zhì)子內(nèi)部的價夸克的一維結(jié)構(gòu)作了系統(tǒng)的研究，而核子的三維結(jié)構(gòu)，直到最近才真正開始研究。

在我國核物理理論研究領(lǐng)域，已經(jīng)形成了由來自多個研究機構(gòu)的理論研究者組成的核子結(jié)構(gòu)與QCD理論研究團隊，并已躋身世界一流行列。他們對核子和原子核結(jié)構(gòu)研究中提出了獨到見解并取得了突出的成果：如QCD演化方程的改進、小x 物理唯象學研究、角動量的規(guī)范不變分解理論、因子化定理和強子化機制的研究等，同時，基于修正的DGLAP 方程，建立了質(zhì)子和原子核的部分子分布函數(shù)數(shù)據(jù)庫IMParton 和nIMParton。這些理論研究將在EIC 預研和實驗數(shù)據(jù)分析中發(fā)揮重要的作用。實驗方面，我國核物理學家參加了國外實驗，已經(jīng)形成一支比較大的研究隊伍。所以，在理論和實驗兩方面，我們都已經(jīng)有了比較好的基礎(chǔ)，我們有能力提出和建造我們國家自己的電子離子對撞機。

三電子離子對撞機的物理目標

在高能核物理領(lǐng)域，除了QCD相變外，另一個重大的課題便是核子結(jié)構(gòu)。對膠子和?？淇诉M行研究需要更高能標的電子-離子對撞機。被視為“超級電子顯微鏡”的EIC裝置，將是研究核子結(jié)構(gòu)和原子核內(nèi)夸克膠子分布的最有效設(shè)備，能夠幫助科學家精確測量核子一維自旋結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)。圖4總結(jié)了各種結(jié)構(gòu)函數(shù)及其測量方法等。

圖4 質(zhì)子一維和三維部分子分布函數(shù)

自從EMC對質(zhì)子自旋成分進行觀測以來，我們已經(jīng)取得了一系列的進步。但是，一維結(jié)構(gòu)的實驗結(jié)果誤差依然比較大，尤其是海夸克的極化分布的誤差依然很大，導致對質(zhì)子自旋的各種來源缺乏準確的認識。因此，?？淇俗孕植嫉木_測量是當前實驗和理論面臨的重要任務之一。在繼續(xù)提高核子一維結(jié)構(gòu)測量精度的同時，隨著理論和實驗的發(fā)展，科學家們已經(jīng)開始考慮測量核子的三維結(jié)構(gòu)TMD和GPD了。TMD和GPD包含非常豐富的核子內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。當前，對于GPD 和TMD的測量是極有吸引力的QCD 研究前沿?？墒牵壳癟MD和GPD的理論模型、計算和實驗測量仍在發(fā)展階段，亟需各類精確的實驗數(shù)據(jù)，因此針對這些分布函數(shù)的研究是當前核子結(jié)構(gòu)實驗測量和QCD理論研究的重要前沿。未來的國內(nèi)外EIC實驗項目都將對核子的三維結(jié)構(gòu)列為最重要的目標之一。這些測量深化了人們對核子結(jié)構(gòu)和強相互作用的認識。

作為亮點，我們主要介紹EIC 將解決如下三個核心科學問題：

1. 質(zhì)子質(zhì)量起源

質(zhì)量是粒子的最基本性質(zhì)之一?？淇私M成質(zhì)子的質(zhì)量使用兩個術(shù)語：流夸克質(zhì)量是由希格斯機制產(chǎn)生的夸克質(zhì)量，而組分夸克質(zhì)量是指流夸克質(zhì)量加上凝聚在流夸克周圍的膠子場的質(zhì)量。因此，雖然膠子本身沒有質(zhì)量，而包含膠子的核子卻很重(一個核子的總質(zhì)量比它所含的價夸克的質(zhì)量大100 倍)。核子的質(zhì)量如何產(chǎn)生，還是一個謎題。解決質(zhì)子質(zhì)量的組成問題，并因此了解產(chǎn)生宇宙中所有可見物質(zhì)的質(zhì)量，是核物理與粒子物理中一個非?；竞陀猩羁涛锢硪饬x的問題。

宇宙可見物質(zhì)主要由質(zhì)子和中子構(gòu)成，這些強子是由夸克構(gòu)成的。希格斯機制給宇宙中的萬物賦予了質(zhì)量。然而，希格斯場只給夸克和電子這樣的基本粒子賦予了質(zhì)量。由希格斯機制產(chǎn)生的夸克質(zhì)量僅約占質(zhì)子質(zhì)量的1%(圖5)。科學家將其余99%的質(zhì)子質(zhì)量歸因于膠子相互作用，是一種強相互作用引起的量子效應。將夸克聚合在一起的強核力承擔了質(zhì)子大部分“賦予質(zhì)量”的工作。然而，強核力所賦予物質(zhì)的質(zhì)量和由希格斯機制產(chǎn)生的質(zhì)量是不同的，同時也并不是相互獨立的。

目前，有QCD 理論將質(zhì)子質(zhì)量分解為四個部分，其中能動量張量的跡反常的物理本質(zhì)是質(zhì)子質(zhì)量問題中最不清楚的部分，這可以通過矢量介子Upsilon 粒子產(chǎn)生過程的近閾產(chǎn)生截面的測量來研究：因為該截面對Upsilon 粒子與核子間的非微擾膠子相互作用非常敏感，表現(xiàn)為在近閾截面的增強。作為未來研究質(zhì)子質(zhì)量物理起源的唯一強相互作用對撞機，EIC能首次精確測量Upsilon 粒子在閾值附近的產(chǎn)生截面?？茖W家結(jié)合粲味J/psi 粒子在閾值附近的產(chǎn)生，將深入了解QCD跡反常機制對質(zhì)子質(zhì)量的貢獻。這對于理解和最終解決質(zhì)子質(zhì)量問題非常重要，還將促進我們從質(zhì)量角度進一步理解強相互作用和QCD性質(zhì)。

2. 質(zhì)子自旋問題

質(zhì)子自旋來源復雜：包括價夸克、?？淇撕湍z子的極化與軌道角動量貢獻。人們直觀的想法是，質(zhì)子1/2 的自旋角動量來自兩個自旋平行的夸克和另一個自旋反平行的夸克。然而電子與質(zhì)子的散射實驗發(fā)現(xiàn)，我們所知道的構(gòu)成質(zhì)子的三種夸克所具有的自旋角動量僅貢獻了質(zhì)子自旋的一小部分。這一歷史事件也被稱為“自旋危機(spin puzzle)”?！百|(zhì)子自旋危機”使核子結(jié)構(gòu)研究進入一個新時代。目前為止，我們知道質(zhì)子內(nèi)的價夸克，也就是u 和d 夸克，只貢獻了30%的質(zhì)子自旋。?？淇撕湍z子可能貢獻50%，但是至少還有另外20%~30%的自旋來源是不清楚的。

國際上自20 世紀80 年代末EMC 實驗揭示核子自旋問題以來，核子自旋物理的研究一直十分活躍，國際上多個實驗室通過一系列極化輕子-核子深度非彈散射(DIS)精確測量了核子自旋結(jié)構(gòu)。SLAC，DESY和CERN等實驗室都曾對核子結(jié)構(gòu)進行了卓有成效的研究。目前，世界上實驗結(jié)果精度最高的實驗室是JLab，它的加速器提供電子連續(xù)束流，最高能量從原來6 GeV 剛升級至12 GeV；亮度達；在極化束流和極化靶的情況下，亮度仍可高達~，這保證了實驗的高統(tǒng)計性。JLab的束流能量，決定了其主要研究對象是質(zhì)子內(nèi)的價夸克。因此，要徹底解決質(zhì)子自旋問題，EIC是必不可少的研究裝置。EIC主要目標是確定?？淇撕湍z子自旋貢獻及其軌道角動量。

3. 色玻璃凝聚現(xiàn)象

膠子在物質(zhì)中的性質(zhì)(即它們的排列或狀態(tài)，以及它們?nèi)绾螌⒖淇私Y(jié)合在一起的細節(jié))尚不為人所知。物質(zhì)中的膠子與宇宙中的暗物質(zhì)有相似之處：雖然看不見，但都起著至關(guān)重要的作用。就像凝聚態(tài)物理中有著名的玻色愛因斯坦凝聚一樣，在高能核物理中，也有一個類似的現(xiàn)象——“色玻璃凝聚”。如果設(shè)法將質(zhì)子加速到接近光速，就會展現(xiàn)出一種奇異的現(xiàn)象：質(zhì)子內(nèi)部膠子的數(shù)量急劇增加。這是因為，光速飛行的“膠子”會分裂，形成一對能量較低的膠子，產(chǎn)生的膠子還會發(fā)生進一步的分裂。最后，質(zhì)子內(nèi)部的膠子數(shù)量將達到一個上限，膠子的數(shù)量不再增加，這時，光速飛行的質(zhì)子所表現(xiàn)出來的狀態(tài)就被稱為“色玻璃凝聚態(tài)”(ColorGlass Condensate, CGC)。色玻璃凝聚的存在是QCD中膠子自身相互作用的一個直接結(jié)果(圖7)。色玻璃凝聚現(xiàn)象對于理解宇宙中的物質(zhì)至關(guān)重要。

圖7 QCD演化：探針分辨率vs.能量圖。圖中指出了非微擾和微擾QCD區(qū)域，在微擾區(qū)，部分子分布函數(shù)根據(jù)DGLAP或者BFKL/BK/JIMWLK等方程演化(圖片來源:美國EIC白皮書)

量子色動力學理論表明，色玻璃凝聚的能標正比于原子核質(zhì)量數(shù)A 的三分之一次方，所以電子-重離子碰撞比電子-質(zhì)子碰撞更容易觀察到色玻璃凝聚現(xiàn)象。EIC上的重離子束流能為我們提供一個探索飽和區(qū)域和CGC 性質(zhì)的途徑。相比于HERA，RHIC 和LHC 僅僅發(fā)現(xiàn)了飽和膠子物質(zhì)的線索，EIC憑借著較寬的運動學區(qū)間，以及在單舉和半單舉非彈性散射過程中探測多種原子核的能力，將有望成為第一個確定色玻璃凝聚現(xiàn)象的裝置。

四建設(shè)電子離子對撞機

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(nèi)夸克膠子分布的最有效裝置。EIC實驗及其相關(guān)物理研究是全球高能核物理界競爭非常激烈的一個領(lǐng)域，是國際高能核物理界的最優(yōu)先研究計劃之一。美國和歐洲都正在計劃建造高能電子離子對撞機，并已經(jīng)有了一些概念設(shè)計和物理研究。

美國科學界已確定EIC 是其核物理發(fā)展的重點，并要力爭世界領(lǐng)導地位。2018 年發(fā)布的《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(zhì)量如何產(chǎn)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并且可調(diào)的質(zhì)心系能量。”評估委員會一共給出了9 個調(diào)查結(jié)果。其中第一個調(diào)查結(jié)果是:只有EIC 能夠回答關(guān)于核子(即中子和質(zhì)子)，以及它們?nèi)绾谓M成原子內(nèi)部的原子核的3 個重大問題:核子質(zhì)量是如何產(chǎn)生的？核子自旋是如何產(chǎn)生的？膠子高密系統(tǒng)的涌現(xiàn)(emergent)屬性是什么?

接著報告還提到，這樣一個EIC 裝置將是世界上獨一無二的裝置，將使美國在世界上保持核物理、加速器科學以及對撞機技術(shù)上的領(lǐng)導地位，并有助于保持更廣泛領(lǐng)域的科學領(lǐng)導地位。

2020 年1 月9 日，美國能源部宣布：選定位于紐約州的布魯克海文國家實驗室承建大型核物理研究設(shè)施——電子離子對撞機eRHIC。eRHIC 的目標聚焦在高能區(qū)域。在該能區(qū)，膠子動力學起主導作用。

中國電子離子對撞機計劃也正在計劃中。我國核物理領(lǐng)域的科學家經(jīng)過多次戰(zhàn)略研討會和咨詢會，已形成共識：充分利用廣東惠州在建重大科技基礎(chǔ)設(shè)施及其升級計劃，確立我國在核物理前沿及交叉領(lǐng)域研究的優(yōu)勢，加速取得重大原創(chuàng)性成果?；谖覈?050 年大科學裝置發(fā)展路線圖的規(guī)劃，由中國科學院近代物理研究所最早于2012 年主導提出，在強流重離子加速器裝置(HIAF，已于2018年底在廣東省惠州市開工建設(shè))的基礎(chǔ)上，添加一條新的電子束流，建成電子束流和質(zhì)子/重離子束流均極化的中國電子離子對撞機(EicC)。該裝置基于已有的強流重離子加速器裝置HIAF，采用環(huán)形對撞機方案，建造一臺“8”字型離子環(huán)pRing、一臺電子注入器以及一臺跑道形電子環(huán)eRing。EicC 裝置質(zhì)心系能量位于15~20 GeV的區(qū)間。

圖8 在HIAF加速器基礎(chǔ)上建設(shè)的中國電子離子對撞機EicC裝置設(shè)計圖

探針尺度由對撞機的能量決定。EicC 的探針尺度大約在質(zhì)子的百分之一到千分之一左右，是研究?？淇说淖罴褏^(qū)域。EicC建成后，將是世界上第一臺運行于?？淇四軈^(qū)的極化電子離子對撞機。EicC的主要物理目標包括?？淇艘痪S和三維結(jié)構(gòu)的精確測量，原子核結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、奇特強子態(tài)和質(zhì)子質(zhì)量起源等重大基礎(chǔ)科學問題的研究。美國和CERN 未來的EIC 裝置主要優(yōu)勢是研究膠子。HERA實驗獲得了很多核子結(jié)構(gòu)方面的實驗結(jié)果，但是該實驗的缺點是只有ep，沒有eA，而且質(zhì)子束流沒有極化，其亮度也偏低(

)。因此，EicC 將是世界上第一臺高亮度的雙極化的電子離子對撞機。在EicC 建成后，科學家將把核子結(jié)構(gòu)的研究推入小x 領(lǐng)域，即海夸克甚至膠子能區(qū)，開辟核物理研究的新領(lǐng)域。

EicC 的設(shè)計為未來發(fā)展留有空間。EicC 將在一期的基礎(chǔ)上，進一步提高束流能量和亮度，建成EicC 二期。EicC 二期將精確測量核子及原子核中膠子和夸克海的多維自旋分布并尋找超出標準模型的新物理。將來可能進一步和Super tau/charm裝置結(jié)合。

EicC 的最主要目標之一是研究質(zhì)子質(zhì)量的起源，這和由中科院高能物理研究所提出的希格斯工廠——CEPC存在“互補關(guān)系”。一期建設(shè)CEPC作為希格斯粒子(Z 玻色子)工廠，精確測量希格斯性質(zhì)，深入研究標準模型、電弱對稱性自發(fā)破缺機制和質(zhì)量起源等基本問題，尋找超出標準模型的新物理的線索。CEPC研究的是夸克這樣的基本粒子由希格斯機制引起的質(zhì)量起源，而EicC 研究的是由強相互作用引起的強子層次的質(zhì)量起源。這兩種質(zhì)量起源是相互補充的，我們只有同時理解了夸克和強子的質(zhì)量起源，我們才真正理解強相互作用力和物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

中國EicC 和美國的杰斐遜實驗室(JLab)裝置和美國EIC 主要有什么不同呢？能量和物理目標不同。EicC 能量位于正在運行的JLab 裝置和美國EIC 之間的空白區(qū)。三大裝置的物理目標相互補充：EicC 主要研究海夸克結(jié)構(gòu)，而美國EIC 集中于膠子物理研究，目前正在運行的杰斐遜實驗室則主要研究價夸克結(jié)構(gòu)。

五結(jié)語

現(xiàn)代核物理的基本目標是研究強、弱和電磁三種相互作用在核物質(zhì)微觀層次的各種物理現(xiàn)象，理解宇宙的起源與演化、可見物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)。自盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核以來，經(jīng)過一百多年的努力，人類已經(jīng)在核物理研究中取得巨大和重要的成功，從根本上影響了過去一百年的社會發(fā)展和科學研究。電子離子對撞機的建造，將使核物理的研究迎來一個新的時代，非常有希望獲得一批國際領(lǐng)先的重要成果和重大發(fā)現(xiàn)。

作為一種重要的大型新科學裝置，電子離子對撞機的設(shè)計、建造和運行將對其他學科產(chǎn)生重大影響，將為社會帶來巨大利益。除了加速器，探測器和芯片等技術(shù)，EIC裝置還將影響其他研究領(lǐng)域，包括格點QCD、粒子物理學、高能天體物理及原子和凝聚態(tài)物理，等等。

借助EIC 激動人心的物理學前沿計劃，核科學將繼續(xù)吸引大批優(yōu)秀的年輕人投入到這項探索核物質(zhì)結(jié)構(gòu)最前沿的基礎(chǔ)研究中去。

原文標題：電子離子對撞機——研究核子結(jié)構(gòu)的超級顯微鏡

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