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美國(guó)對(duì)撞機(jī)開建，破解質(zhì)子質(zhì)量之謎

2020/01/18
導(dǎo)讀
用時(shí)10年，花費(fèi)預(yù)計(jì)在16億至26億美元

EIC設(shè)計(jì)示意圖，圖源https://www.bnl.gov/eic/machine.php

撰文 | 邸利會(huì)（知識(shí)分子主筆）
責(zé)編 | 陳曉雪

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我們知道，原子由原子核和電子組成，而原子核一般由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子由更小的夸克和膠子構(gòu)成，膠子像膠水一樣把夸克綁在一起。

令人驚奇的是，夸克只占了質(zhì)子和中子質(zhì)量的很小部分，膠子可能占了宇宙可見物質(zhì)質(zhì)量的90％以上，這是為什么？此外，對(duì)于夸克和膠子是怎么互相組織的？我們也知之甚少。

如今，有望解決這些疑問的利器即將誕生。

1月9日，美國(guó)能源部宣布：將在紐約州阿普頓的布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，建造一座電子離子對(duì)撞機(jī)（The Electron-Ion Collider, EIC）。

這一大科學(xué)裝置的設(shè)計(jì)和建造將用時(shí)10年，花費(fèi)預(yù)計(jì)在16億至26億美元，由美國(guó)高國(guó)會(huì)每年撥款。

 EIC會(huì)用電子轟擊質(zhì)子和更重的原子核，其高光度和高偏振光束將推動(dòng)粒子加速器科技的前沿，加深對(duì)原子核基礎(chǔ)構(gòu)件和它們之間作用的理解。

美國(guó)能源部部長(zhǎng) Dan Brouillette 表示， EIC將確保美國(guó)處于高能物理以及加速器技術(shù)的前沿，總體上展現(xiàn)美國(guó)科學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)力。他說，“美國(guó)正處于創(chuàng)新的黃金時(shí)代，我們期待與EIC相伴邁向下一步。EIC不僅將確保美國(guó)在核物理領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，而且為 EIC所開發(fā)的技術(shù)還將支持潛在的巨大突破，影響人類健康、國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力和國(guó)家安全?！?/section>

EIC的設(shè)計(jì)和建造是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)院的國(guó)家研究委員會(huì)提議的，并得到了美國(guó)聯(lián)邦核科學(xué)咨詢委員會(huì)的認(rèn)可。

美國(guó)能源部科學(xué)部主任 Chris Fall 博士認(rèn)為，能源部很高興能在布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室落地電子離子對(duì)撞機(jī)，但EIC要取得成功還有賴于能源部實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)其他部門的參與。

美國(guó)能源部披露，弗吉尼亞州紐波特紐斯（Newport News）的托馬斯·杰斐遜（Thomas Jefferson）國(guó)家加速器設(shè)施將是EIC的主要合作伙伴，而其他幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室也有望為EIC的建設(shè)和核物理研究計(jì)劃的實(shí)施做出貢獻(xiàn)。

美國(guó)能源部表示，EIC將改變國(guó)際核物理界的游戲規(guī)則，并期待與國(guó)際合作伙伴為電子離子對(duì)撞機(jī)做出怎樣的貢獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)話。

上海李政道研究所學(xué)者季向東，在1995年就提出了質(zhì)子質(zhì)量的問題(Phys.Rev.Lett. 74 (1995) 1071)，十幾年來，他參與了電子離子對(duì)撞機(jī)的提出和論證，本刊就該項(xiàng)目的相關(guān)問題以及美國(guó)高能物理的發(fā)展對(duì)他做了訪談。

EIC設(shè)計(jì)示意圖，圖源https://www.bnl.gov/eic/machine.php


INTERVIEW


《知識(shí)分子》：請(qǐng)先簡(jiǎn)要介紹下電子離子對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的總體情況？

季向東：這個(gè)項(xiàng)目其實(shí)已經(jīng)推動(dòng)有十幾年了，我一直參與科學(xué)討論，包括一開始提出的建議，美國(guó)核科學(xué)委員會(huì)的規(guī)劃，到美國(guó)科學(xué)院的論證，到最后的科學(xué)院報(bào)告的最終通過。

它的形成跟美國(guó)物理的走向，將來的大科學(xué)裝置的規(guī)劃非常有關(guān)系。美國(guó)核物理每年的投資大概是六、七個(gè)億美元。美國(guó)能源部與核科學(xué)相關(guān)的有三個(gè)大的科學(xué)裝置，一個(gè)在托馬斯·杰斐遜實(shí)驗(yàn)室，還有一個(gè)是在美國(guó)密歇根州立大學(xué)，第三個(gè)就是在長(zhǎng)島的布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。

下一步要建造的這個(gè)對(duì)撞機(jī)，主要是用來進(jìn)行電子和質(zhì)子，以及重離子的碰撞，研究質(zhì)子和原子核的內(nèi)部的膠子和夸克的結(jié)構(gòu)，特別是了解質(zhì)子、中子的質(zhì)量是怎么起源的？（物質(zhì)的質(zhì)量主要來自它們）自旋是怎么形成的？（醫(yī)療上的磁共振利用的就是質(zhì)子的自旋）

我們知道原子核和質(zhì)子、中子的質(zhì)量主要是夸克和膠子有強(qiáng)相互作用而引起，這只是個(gè)大致的圖像，但是其中細(xì)節(jié)、具體是怎么發(fā)生的，是怎樣的一個(gè)物理過程能產(chǎn)生質(zhì)量，我們還是不很清楚。

實(shí)際上這些問題陸陸續(xù)續(xù)也研究了半個(gè)世紀(jì)了，但是還沒有一個(gè)最合適的大科學(xué)裝置，專門來做這些方面的研究。

《知識(shí)分子》：這個(gè)項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)在哪？

季向東：首先它是一個(gè)對(duì)撞機(jī)，而不是一個(gè)固定靶子的實(shí)驗(yàn)裝置（把質(zhì)子或者電子用加速器加到很高的能量，然后用這些高能粒子去打靶，撞擊靶子里的夸克，叫固定靶實(shí)驗(yàn)；讓兩束高能粒子迎頭對(duì)撞，叫對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)）。

兩個(gè)的區(qū)別就在于對(duì)撞機(jī)的能量要比固定靶實(shí)驗(yàn)的能量要高很多，可以看到質(zhì)子內(nèi)部的膠子。膠子因?yàn)椴粠щ?，通過它們非常高能的量子漲落才能看到，這是選擇對(duì)撞機(jī)的原因。

但對(duì)撞機(jī)有一個(gè)非常重要的難題，就是高亮度很難做到。比如德國(guó)HERA對(duì)撞機(jī)的亮度，只有10的31次方?，F(xiàn)在要造的對(duì)撞機(jī)要比過去的亮度高100到1000倍，在加速器技術(shù)上還是存在非常大的挑戰(zhàn)。像這樣一個(gè)加速器，從能量上來講不是最高的，但是從亮度上來講在這個(gè)能區(qū)是最高的（在對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)里面，不但兩個(gè)束流的粒子個(gè)數(shù)要多，還得讓它們聚焦在盡量小的橫截面積內(nèi)對(duì)撞，也就是說需要束流有盡量高的亮度）。

《知識(shí)分子》：建這么大的裝置，有20多億美元的投入，研究一個(gè)很基礎(chǔ)的問題？

季向東：美國(guó)對(duì)基礎(chǔ)科研是非常的重視，因?yàn)檫@樣的研究在實(shí)際生活中基本上沒啥用。除了一些加速器以及相關(guān)技術(shù)以外，科學(xué)上得到的成果，在短期內(nèi)也許是毫無用處。但是花那么多錢去造這么一個(gè)對(duì)撞機(jī)，就說明對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究的一個(gè)重視的程度。

《知識(shí)分子》：項(xiàng)目也提到對(duì)于加速器技術(shù)和部件，芯片制造測(cè)試、癌癥治療、藥物醫(yī)療等潛在好處也羅列了一些。你覺得對(duì)于推動(dòng)這些領(lǐng)域有作用嗎？還是只是一些宣傳？

季向東：我認(rèn)為兩者都有。我覺得這些用處也許并不完全需要這樣的一個(gè)投入來去發(fā)展，會(huì)是一個(gè)間接的推動(dòng)。但另一方面就是會(huì)培養(yǎng)大量的人才，很多搞基礎(chǔ)研究的人會(huì)流向，比如說國(guó)防、醫(yī)療、還有一些高技術(shù)領(lǐng)域。

所以，可以看到有時(shí)候研究投入不是那種直接目標(biāo)的，而是通過這么一個(gè)前沿的科學(xué)項(xiàng)目培養(yǎng)出好多人才，我覺得這方面還是值得學(xué)習(xí)的。

《知識(shí)分子》：整個(gè)過程你提到，從最初提出想法，到現(xiàn)在經(jīng)歷了十幾年，這是個(gè)正常的時(shí)間花費(fèi)么？

季向東：這是一個(gè)正常的。其實(shí)，科技部門的一個(gè)中心曾經(jīng)要我去講過這個(gè)大科學(xué)項(xiàng)目，我也專門做了一些準(zhǔn)備去講。當(dāng)時(shí)講完了以后，我曾想把這個(gè)參與的經(jīng)歷寫成一個(gè)介紹，對(duì)我們的科學(xué)決策也是一個(gè)重要的參考。

《知識(shí)分子》：最后確定建在布魯克海文實(shí)驗(yàn)室，之前有沒有其他實(shí)驗(yàn)室競(jìng)爭(zhēng)？

季向東：杰斐遜實(shí)驗(yàn)室一直是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的單位，實(shí)際上競(jìng)爭(zhēng)過程已經(jīng)持續(xù)了四五年，兩家都出了自己的方案，也都有他們的加速器團(tuán)隊(duì)、實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)各自為自己的設(shè)計(jì)提出理由，當(dāng)然兩家也各有所長(zhǎng)，方案也非常不一樣。最后選了布魯克海文的話，我個(gè)人覺得還是一個(gè)非常好的選擇，因?yàn)樗跉v史上出了好幾個(gè)諾獎(jiǎng)，而且他們?cè)陧?xiàng)目管理和科學(xué)水平上還是有一定的優(yōu)勢(shì)。

但從另外一個(gè)角度講，杰斐遜實(shí)驗(yàn)室也有他們優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼘?duì)質(zhì)子結(jié)構(gòu)研究非常熟悉，相關(guān)的物理一直是世界領(lǐng)先的，而對(duì)于布魯克海文則是一個(gè)新的項(xiàng)目。此外，杰斐遜實(shí)驗(yàn)室是南方唯一的實(shí)驗(yàn)室，所以整體上，它還是有一定的競(jìng)爭(zhēng)力的。最后他們選擇了布魯克海文，從科學(xué)上我覺得是一個(gè)非常好的選擇。

《知識(shí)分子》：能源部報(bào)道有一句話說，EIC將改變國(guó)際核物理界的游戲規(guī)則，這個(gè)如何理解，是夸大的一個(gè)說法嗎？

季向東：我覺得美國(guó)的選擇還是具有一定的前瞻性。國(guó)際上比如說像中國(guó)也在考慮電子離子對(duì)撞機(jī)（EicC），歐洲借助于他們的大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)也曾經(jīng)考慮要往這個(gè)方向走。但是美國(guó)的考慮可能更成熟，因?yàn)槊绹?guó)在這方面已經(jīng)考慮了十幾年了，而且人才隊(duì)伍還是比較大的。

而且這個(gè)最后選擇的方式，能區(qū)和亮度，都是比較優(yōu)化的。它很可能在未來30年，在這個(gè)領(lǐng)域是領(lǐng)先的。所以，我覺得也不是一個(gè)吹牛的說法，是一個(gè)比較中肯的表述。

《知識(shí)分子》：這個(gè)項(xiàng)目還需要美國(guó)能源部其他實(shí)驗(yàn)室的幫忙？

季向東：這個(gè)比較容易理解，因?yàn)椴剪斂撕Ｎ牡募铀倨骷夹g(shù)還是不錯(cuò)的，但還有一些其他的技術(shù)它不見得是最好的，所以需要其他實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的一些技術(shù)，像杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的超導(dǎo)高頻腔應(yīng)該是世界上做的最好的，所以會(huì)利用他們的產(chǎn)品。它的探測(cè)器，很可能會(huì)用其他實(shí)驗(yàn)室來造。探測(cè)器本身也是一個(gè)很大的投入，很可能會(huì)有兩個(gè)探測(cè)器。

所以，盡管大的機(jī)器會(huì)在這里造，但項(xiàng)目里頭有很多部件，還是可能要其他實(shí)驗(yàn)室來承擔(dān)，也許避免其他實(shí)驗(yàn)室關(guān)門，或者其他的研究隊(duì)伍的流失。

《知識(shí)分子》：能源部提到說也需要國(guó)際團(tuán)隊(duì)，這是不是一個(gè)必要的？

季向東：國(guó)際合作方面可能不會(huì)是個(gè)關(guān)鍵因素，有幾個(gè)原因：第一，我覺得美國(guó)能源部這個(gè)項(xiàng)目，它并沒有要求需要一定有多少百分比的國(guó)際投入，這個(gè)項(xiàng)目才往前推動(dòng)。即使其他國(guó)家不出錢，美國(guó)能源部也會(huì)推動(dòng)。

第二，在現(xiàn)在的國(guó)際大環(huán)境之下，即使是基礎(chǔ)研究，美國(guó)越來越不太愿意要?jiǎng)e的國(guó)家參與，包括像外國(guó)人現(xiàn)在要到美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室去參加工作的話，越來越困難。所以我覺得大科學(xué)項(xiàng)目當(dāng)然需要國(guó)際合作，但是現(xiàn)在，能起多少作用，或者它有多少期待，可能比較有限。

《知識(shí)分子》：這樣一個(gè)科學(xué)目標(biāo)，國(guó)際上有其他的實(shí)驗(yàn)競(jìng)爭(zhēng)嗎？

季向東：沒有。有一些固定靶實(shí)驗(yàn)，原來在德國(guó)也有一些實(shí)驗(yàn)，但都不是那么太專門化的，不是為這種問題研制定做的實(shí)驗(yàn)裝置，所以最后都比較模棱兩可。我覺得像這些問題，來自國(guó)際方面的競(jìng)爭(zhēng)應(yīng)該不是太強(qiáng)。中國(guó)EICC現(xiàn)有的方案能區(qū)不一樣，物理目標(biāo)也不同。

《知識(shí)分子》：質(zhì)子里除了夸克，膠子質(zhì)量占到90%，質(zhì)子質(zhì)量之謎這個(gè)問題很難解決？

季向東：對(duì)于強(qiáng)相互作用，雖然我們有一個(gè)基本理論，叫量子色動(dòng)力學(xué)，但這個(gè)理論太難了。我一直是研究量子色動(dòng)力學(xué)理論的，其實(shí)研究質(zhì)子質(zhì)量的問題是我1995年提出來的。但是，到現(xiàn)在為止，我們并沒有一個(gè)非常好的方式來解說強(qiáng)相互作用力是怎么工作的。

現(xiàn)在很多的工作都是用大型計(jì)算機(jī)來進(jìn)行解決（叫格點(diǎn)規(guī)范理論或量子場(chǎng)論），這方面在美國(guó)也是有很多的發(fā)展。這些工作國(guó)內(nèi)也有但相對(duì)比較少，我們需要推動(dòng)在國(guó)內(nèi)大型計(jì)算機(jī)模擬的工作。但是除了計(jì)算以外，還需要有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行佐證，因?yàn)檫@個(gè)科學(xué)問題確實(shí)是比較難。

質(zhì)子已經(jīng)發(fā)現(xiàn)100年了，但其結(jié)構(gòu)問題到現(xiàn)在為止還未解決。希望通過實(shí)驗(yàn)，能夠提供更多的數(shù)據(jù)，來幫助我們理解究竟強(qiáng)相互作用是怎么創(chuàng)造出質(zhì)子中子的。

《知識(shí)分子》：這個(gè)對(duì)撞機(jī)的建造會(huì)持續(xù)多少年？

季向東：今年能源部投資了1100萬美元，做前期的工作準(zhǔn)備，我想每年會(huì)不斷的增加，是一個(gè)長(zhǎng)期的過程。我估計(jì)它整個(gè)的建設(shè)也許要10年，首期工程投資大概需要5-8個(gè)億。

《知識(shí)分子》：它何時(shí)可以獲得數(shù)據(jù)，應(yīng)該是十幾年以后的事了吧？

季向東：我想應(yīng)該要10年，到2030希望能夠有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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