神秘的质子内部世界

作者：陈旭荣  中科院近代物理所研究员

引子

从古至今，人类一直对宇宙有极大的好奇心，比如：我们的宇宙是由什么构成的？

现代科学认为，宇宙中的物质大致可以分为三种：普通可见物质、暗物质、暗能量。我们眼睛所见到的一切物质，包括天上的星星，都是普通可见物质。普通可见物质的质量约占整个宇宙质量的5%，由“基本粒子”构成，其中99%以上的质量由大约10⁸⁰个质子和中子贡献。

核子是组成原子核的质子和中子的统称。核子的质量是怎么来的呢？

1964年，英国物理学家希格斯（Higgs）提出了希格斯场的存在，并预言了希格斯玻色子（Higgs boson）的存在。在希格斯机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。假若希格斯玻色子被证实存在，则希格斯场也应该存在，从而希格斯机制也被证实。2012年，欧洲核子研究中心宣布发现希格斯玻色子，也就是所谓的“上帝粒子”。希格斯因为这项发现获得了2013年诺贝尔物理学奖。

希格斯机制产生的夸克质量很小，比如上夸克（up quark）和下夸克（down quark）的质量只有几个MeV。所以含有两个上夸克和一个下夸克的质子质量只有大约十几个MeV。但是，我们知道质子真实的质量大约是938 MeV。除由希格斯机制产生的夸克质量外，质子质量主要由相对论性夸克胶子相互作用产生。如何精确地确定质量成分呢？

答案是：需要先搞清楚质子的内部结构。

图：质子质量约938 MeV, 而由希格斯机制产生的夸克质量约10 MeV。

质子内部结构

根据美国物理学家盖尔曼（Murray Gell-Mann）的夸克模型，质子内部有三个更基本的粒子，称为“夸克”。盖尔曼因该模型获得了1969年诺贝尔物理学奖。

现在我们知道，质子由夸克和胶子构成，胶子像胶水一样把夸克胶黏在一起。在极短时间内，胶子可分裂为一对正反夸克。同样，这些夸克和反夸克也可聚合为胶子。

图：质子内部结构：价夸克、海夸克和胶子。

这只是个大致的图像，还存在更基本的问题有待解决：质子的自旋和质量从何而来？

科学家现在认为自旋、质量和其它核子性质是由其内部夸克和胶子之间的复杂相互作用产生的。但我们不清楚这究竟是如何发生的。夸克和胶子之间的相互作用，是由一种被称为“量子色动力学”（Quantum Chromodynamics，QCD）的理论描述的。

量子色动力学

完整描述强相互作用的理论是量子色动力学，它是粒子物理学“标准模型”的基本理论的一部分。“标准模型”描述了宇宙中除了引力外的已知相互作用力。美国物理学家格罗斯（David Gross）、波利策（David Politzer）和维尔切克（Frank Wilczek）因于1973年发现这个理论的一个重要特性——“渐近自由”而获得2004年度诺贝尔物理学奖。

QCD渐进自由的性质允许我们在高能微扰区域求解，但目前还不能对非微扰区域的QCD直接求解。

那我们就用高能碰撞实验去探索吧。

电子探针

质子的半径要比原子小十万倍左右，夸克和胶子的尺度比质子还小几个量级。另一方面，核子的性质决定于夸克和胶子的集体行为，即许多夸克胶子通过非常奇妙复杂的相互作用呈现出来的整体效果。这使得我们很难完全理解质子结构和性质。

我们需要高灵敏度的探针。

自光学显微镜诞生以来，科学家们通过光学显微镜观察细菌等微小生物的动态。类似的方法也被应用到物理实验中来。在20世纪上半叶，物理学家通过X射线衍射“看见”原子。50年前，物理学家在一个电子和质子碰撞的实验中首次 “看到” 了夸克。这个探测过程被称为“深度非弹性散射”（Deep Inelastic Scattering, DIS）。

DIS是一种通过用高速电子束流轰击质子或原子核来研究其内部结构的先进技术。根据量子力学里的波长和能量的关系，碰撞过程的能量越高，虚光子的波长越短，探针的尺度也就越小。如果探针比质子本身的尺度还小很多，科学家们就能“看到”质子内部更微小的粒子，也就是可以“看到”质子内部的结构。比如，在十分之一质子尺度下，科学家们能看到价夸克；能量再高点，到质子的百分之一尺度时，就能清晰地看到海夸克；如果尺度在质子的千分之一以下，则可以看到胶子。

  图：电子-质子非弹性散射。

第一个DIS实验最早发生在德国电子同步加速器研究所（DESY）的强子-电子环形加速器HERA上。科学家们进行电子和质子对撞实验。HERA装置位于德国汉堡，从1992年一直运行到2007年。其实验结果虽然促进了我们对核子结构的理解，但还是没有解决 “自旋危机”。并且，由于HERA装置没有重离子束流，从而也不能研究原子核中的夸克和胶子的行为。

图：强子-电子环加速器HERA，位于德国汉堡。

就像医生通过CT对人体三维成像一样，为了彻底搞清楚夸克和胶子世界的物理问题，我们需要超级显微镜来观察质子的内部结构和运动规律，也就是——电子离子对撞机。

电子离子对撞机

电子-离子对撞机（Electron Ion Collider, EIC）是一种大型粒子加速器，用没有内部结构的电子轰击质子和更重的原子核，探索核子和原子核的内部夸克和胶子的结构及它们之间的相互作用。EIC对撞机的一个优势是其能量比较高，从而可以更加清晰地看到质子内部结构：质子本身的百分之一到万分之一尺度的结构。

被视为“超级多维电子显微镜”的EIC，将使我们获得第一张用夸克和胶子描绘的核子内部世界的高清、三维图像，最终形成我们对可见宇宙的全新理解。宇宙深处的神秘面纱将被揭开。

 建造电子离子对撞机

科学家们正在提出新计划：建造电子离子对撞机。

建造EIC是国际高能核物理界的最优先研究计划之一。目前，国际核物理界已基本形成共识：EIC是研究核子、原子核内夸克胶子分布的最有效装置。美国和欧洲都正在计划建造高能电子离子对撞机。

2018年发布的《美国电子离子对撞机科学评估报告》明确指出了电子离子对撞机在科学上的重要性：“核子质量如何产生等重大科学问题需要一个有高度极化的电子和离子束流的EIC，这个EIC还要有足够高的亮度以及足够的并且可调的质心系能量。这样一个EIC装置将是世界上独一无二的装置。”

在中国，科学家们也提出了建造中国电子离子对撞机的计划。

基于我国2050年大科学装置发展路线图的规划，由中国科学院近代物理研究所最早于2012年主导提出，在强流重离子加速器装置(HIAF，已于2018年底在广东省惠州市开工建设)的基础上，添加一条新的电子束流，建成电子束流和质子/重离子束流均极化的中国电子离子对撞机(Electron Ion Collider in China, EicC)。

图：EicC装置设计图。EicC白皮书已在《核技术》在线发表。

探针尺度由对撞机的能量决定。EicC的探针尺度大约在质子的百分之一到千分之一左右，是研究海夸克的最佳区域。EicC建成后，将是世界上第一台运行于海夸克能区的极化电子离子对撞机。

EicC的主要物理目标包括海夸克一维和三维结构的精确测量，原子核结构与性质、奇特强子态和质子质量起源等重大基础科学问题的研究。相信更广泛、更深入的物理目标还会被不断地提出来。

中国EicC和美国EIC主要有什么不同呢？

能量和物理目标不同。EicC能量位于正在运行的美国杰斐逊实验室(JLab)装置和未来高能EIC之间的空白区。三大装置的物理目标相互补充：EicC主要研究海夸克结构，而美国EIC集中于胶子物理研究，目前正在运行的杰斐逊实验室则主要研究价夸克结构。

图：EIC将物质结构研究从价夸克推进至海夸克和胶子层次。

展望

电子离子对撞机是目前世界上可提供数据，供科学家最大限度地理解QCD理论的唯一被考虑建设的实验装置。但是，建造电子离子对撞机对加速器和探测器等技术提出了巨大的挑战，这些挑战将有望促进加速器科学的发展。这将不仅使核物理学科受益，也将推动未来医学、材料学和芯片工业的发展。

电子离子对撞机的建造与运行，将使核物理的研究迎来一个新的时代。我们期待大批年轻人投入到这项探索核物质结构最前沿的基础研究中去。

致谢：感谢中国极化电子离子对撞机工作组的专家们，特别感谢南京大学王凡教授为本文提出许多很有价值的意见和建议。

主要参考文献：
1. 《中国极化电子离子对撞机计划》，2020.  http://www.j.sinap.ac.cn/hjs/CN/Y2020/V43/I2/200012. Electron Ion Collider: The Next QCD Frontier Understanding the glue that binds us all, arXiv:1212.1701.3. 美国国家科学院《美国电子离子对撞机科学评估报告》

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