本文選自《物理》2020年第8期
(中國科學院近代物理研究所 許怒、中國科學技術大學 趙政國 供稿)
浩瀚宇宙中，我們都曾仰望過那片星空，或凝思，或佇立，也許曾經會和王勃一樣感慨「天高地迥，覺宇宙之無窮」，也會如蘇軾一般吟唱出「寄蜉蝣於天地，渺滄海之一粟」。莊子也曾在浩瀚的星空下苦思冥想「一尺之捶，日取其半，萬世不竭」的答案。一邊是宇宙的「無窮與極大」，一邊是物質無窮無盡分割的「極小」。李政道先生用一首詩形象地描述了二者的關係：
Large things are made of small, and even smaller.To know the smallest, we need also the largest.All lie in vacuum, everywhen and everywhere.How can the micro, be separate from the macro?Let vacuum be a condensate, violating harmony.We can then penetrate, through asymmetry into symmetry.
對宇宙萬物的好奇心促使人們不停探索，其中，對於物質深層次結構及其相互作用本質的理解是人們在「極小」尺度上的不懈追求。粒子物理與核物理正是在微觀領域對此進行深入研究的前沿基礎學科。隨著科學技術的發展和研究的開展，科學家在微觀領域的研究尺度深入到了10-18m，並且成功地構建了粒子物理學的基本理論——標準模型：費米子包含三代夸克與三代輕子；費米子間的相互作用力(引力除外)由相應玻色子(傳播子)來傳遞，其中帶色荷的膠子傳遞強相互作用力，W/Z玻色子傳遞弱相互作用力，光子傳遞電磁力；基本粒子(夸克、輕子與傳播子)的質量由Higgs場通過自發破缺機制獲得。自建立以來，標準模型經過了幾十年的實驗檢驗，被認為是當今描述微觀世界最成功的理論模型，特別是2012年歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC)上的ATLAS和CMS實驗發現了Higgs粒子，使得標準模型得到了更完美的實驗驗證，從而揭開了人類對微觀物質世界研究的新篇章。雖然如此，物理學家們普遍認為標準模型不是粒子物理的終極理論，比如，它解釋不了暗物質及暗能量、對稱性自發破缺的根源，等等。甚至，當我們試圖理解宇宙中佔比很小的可見物質結構及其性質時，仍有一系列基本問題得不到合理的理論解釋，例如：夸克禁閉效應，正—反物質不對稱，核子(質子和中子)自旋與質量起源，奇特強子態的性質，等等。這些重大科學前沿問題的回答，需要在新一代高亮度、高精度的裝置上進行研究，尋找其答案。我國第一個高能加速器裝置——北京正負電子對撞機(BEPC)的對撞質心能量為2—5GeV的陶粲能區，是量子色動力學(QCD)微擾與非微擾的過渡能區，物理研究內容獨特且豐富。該裝置建成以來的30多年裡，北京譜儀(BES)由第一代發展到了第三代(BESⅢ)，產出了豐碩的且備受國際關注的物理成果，在加速器、探測器、先進電子學、大數據以及計算機和網絡領域培養並凝聚了一大批優秀的人才，也為我國其他的高能物理實驗，如大亞灣中微子實驗等，打下了堅實的基礎。截至目前為止，BESⅢ實驗已經運行了12年，由於加速器儲存環隧道周長和空間的限制，制約了對撞亮度和能量的進一步升級，相關物理研究受到來自日本BelleⅡ和歐洲核子中心LHCb實驗的強有力挑戰。而且陶粲能區的一些重大物理問題仍無法得到解決，如探索宇宙中正反物質的不對稱性(CP破缺)，深入研究強子內部結構及非微擾強相互作用本質，尋找奇異物質和超越標準模型的新物理現象等，需要更高的對撞亮度和能量。BESⅢ實驗預期將於幾年後完成其歷史使命，因此提出建造一個對撞亮度比現有的北京正負電子對撞機高兩個量級，對撞質心系能量覆蓋範圍更寬的超級陶粲裝置(STCF)，將繼續保持我國在陶粲能區物理研究領域的領先地位。正負電子對撞使得人們在強子尺度上能夠系統地開展強子譜學研究，如何在更深層次結構上理解強子的特性，以及強子尺度以下的世界是怎樣的，一個重要的研究方法是輕子—核子散射，經過近半個世紀的努力，人們對於核子內部結構的研究，如核子自旋及質量的起源，仍然知之甚少。目前普遍認為核子由夸克和膠子組成，且其具有相當複雜的內部動力學結構。如何在夸克、膠子尺度深入理解核子內部結構，全球核物理領域已經達成共識：需要建設新一代雙極化的電子—離子對撞機。中國電子—離子對撞機計劃(EicC)提出，在已開建的強流重離子加速器裝置(HIAF)的基礎上，升級質子束流為20GeV的極化束流，並建造2.8—5GeV極化電子束流，從而實現質心系能量為15—20GeV的雙極化電子—離子對撞。EicC和STCF兩大未來科學裝置都運行在微擾和非微擾QCD的過渡區域，是研究強子內部結構和強相互作用的獨特場所。EicC利用電子—離子對撞的「類空散射」著重開展核子內部結構研究，而STCF通過正負電子對撞的「類時散射」側重於強子譜學、產生和衰變性質的研究。相同的能區，不同的反應機制，在強子物理前沿科學問題的探索中，兩大裝置將從不同視角、沿著不同分支深入強子物理的研究，具有很強的互補性。同時，兩大裝置在強子化、碎裂函數等重要課題中互有交叉，使得兩大裝置又具有很強的關聯性。我們期望以正在廣東惠州建設的HIAF重大科技基礎設施為基礎，把EicC和STCF兩個裝置合併且進行更優化的設計，建成一個由電子、質子和重離子儲存環構成的加速器集群，實現正負電子對撞，電子與離子或質子對撞，電子或離子打靶等核與粒子物理實驗，在國際上形成一個獨特的全方位的研究強子結構和低能強相互作用本質的一流大科學研究中心。本專題的三篇文章分別針對北京譜儀實驗、超級陶粲裝置和中國極化電子—離子對撞機進行介紹。
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