摘要
質子和中子在哪裡得到它們的質量和旋轉？令人驚訝的是，科學家並不知道。不知何故，這些粒子的成分 -夸克和膠子 - 在複雜的相互作用中結合，產生質子和中子的特性。要了解如何，物理學家想要建立一個電子離子對撞機，用電子粉碎質子和原子核，提供原子核內部的三維圖像。可觀測的宇宙估計包含大約10^53千克的普通物質，其中大部分是大約1080個質子和中子的形式，它們與電子一起是原子的成分。但是質子和中子的質量是什麼呢？
事實證明，答案並不簡單。質子和中子由稱為夸克的粒子和稱為膠子的結合粒子組成。膠子是無質量的，質子和中子內的夸克質量（統稱為「核子」）的總和約佔核子總質量的2％。那麼剩下的來自哪裡呢？
這不是這些基本原子碎片的唯一奧秘。核子的旋轉同樣令人費解 - 其中的夸克旋轉無法解釋它。科學家現在認為自旋，質量和其他核子特性是由夸克和膠子之間的複雜相互作用產生的。但究竟如何發生這種情況尚不清楚。理論只能告訴科學家這麼多，因為夸克和膠子的相互作用是由稱為量子色動力學（QCD）的理論所統治的，這種理論非常難以計算。
為了向前發展，我們需要新的實驗數據。這就是電子 - 離子碰撞器（EIC）的用武之地。與其他原子打擊器不同，例如日內瓦附近的歐洲核子研究中心大型強子對撞機或美國的相對論重離子對撞機（RHIC），它們撞擊質子和離子等複合粒子， EIC會使質子和中子與電子碰撞。後者沒有內部結構，成為一種在複合顆粒內部看到的顯微鏡。
EIC是美國核科學界的最高優先事項之一，最有可能建在兩個美國物理實驗室之一 - 長島布魯克海文國家實驗室或維吉尼亞州紐波特紐斯的託馬斯傑斐遜國家加速器設施（傑斐遜實驗室）如果獲得批准，對撞機可以在2030年左右開始收集數據。機器將能夠看到夸克和膠子的個體自旋和質量以及它們的集體運動的能量如何組合以產生質子的自旋和質量。和中子。它還應該回答其他問題，例如夸克和膠子是否聚集在一起或在核子內擴散，它們移動的速度以及這些相互作用在核中將核子結合在一起的作用。EIC的測量結果將提供大量關於物質基本成分如何相互作用以形成可見宇宙的新信息。在發現夸克五十年後，我們終於可以解開它的神秘面紗。
緊急現象
科學家們很清楚物體是如何由原子構成的，以及這些物體的特徵是如何從它們內部的原子特徵中產生的。事實上，我們現代生活的大部分依賴於我們對原子，電子和電磁學的了解 - 這些知識是我們的汽車和智慧型手機工作的原因。那麼為什麼我們不理解核子是如何由夸克和膠子組成的呢？首先，夸克至少比質子小10,000倍，因此沒有簡單的方法來研究它們。*此外，核子的特徵源於夸克和膠子的集體行為。事實上，它們是緊急現象，是許多複雜參與者的結果，這些參與者的互動過於複雜，我們現在無法完全理解。
控制這些相互作用的理論，量子色動力學，是在20世紀60年代末和70年代初期發展起來的。它是粒子物理學的總體理論的一部分，稱為標準模型，它描述了宇宙的已知力（除了重力）。正如帶電粒子之間的電磁力由光子或光粒子攜帶一樣，QCD告訴我們強力 - 將核子保持在一起的力 - 由膠子攜帶。涉及強力的「電荷」稱為「顏色」（因此是「色動力學」）。夸克攜帶彩色電荷並通過交換膠子相互作用。但與電磁學不同，光子本身沒有電荷，膠子帶有顏色。因此，膠子通過交換更多的膠子與其他膠子相互作用。這種皺紋具有深遠的意義。
藍色偶極磁鐵有助於引導電子束在CEBAF環路周圍加速QCD也不同於更熟悉的理論，因為夸克得到的力量越強，力越強。（在電磁學中，情況恰恰相反，當帶電粒子移動得更遠時，力會變弱。）在核子內的足夠短的距離內，夸克感覺到它們的力量很小，就好像它們是自由的一樣。QCD的這種奇怪後果的發現為物理學家David Gross，H。David Politzer和Frank Wilczek贏得了2004年諾貝爾物理學獎。當夸克彼此遠離時，它們之間的力量迅速增長並變得如此強烈以至於夸克最終被「限制」在核子內部 - 這就是為什麼你永遠不會在質子或中子外面找到夸克或膠子的原因。只要夸克彼此靠近並且彼此之間相互作用弱，科學家就可以計算QCD相互作用;
為了進一步了解強力的量子領域，我們需要更多的信息。例如，我們對原子領域的掌握並非僅僅來自我們對原子及其相互作用的理解 - 它來自我們對這些基本構件之上出現的新興現象的把握。根據我們對其基礎 - 原子和電磁學的了解，不可能構建分子生物學。當研究人員發現DNA的雙螺旋結構時，尤裡卡時刻到來。我們在quarkgluon世界中需要取得進展的是在核心內部。
「看到」原子
在20世紀的第一部分，物理學家發現了如何通過一種叫做X射線衍射的過程「看到」原子。通過在樣品上照射一束X射線並研究它們穿過材料時產生的幹涉圖案，科學家們可以看到它的原子晶體結構。這項技術的工作原理是X射線的波長類似於原子的大小，使我們能夠探測納米（10 ^-9米）的原子距離尺度。以同樣的方式，物理學家在50年前首次在一個稱為深度非彈性散射或DIS的過程中碰撞電子和質子的實驗中「看到」夸克。
在這種方法中，電子從質子（或中子或核）反彈並與之交換虛光子。虛擬光子並非完全真實 - 它由於量子力學而控制粒子相互作用，從而快速地存在和不存在。通過仔細測量電子反彈時的能量和角度，我們可以獲得有關電子的信息。
DIS實驗中的虛光子的波長大約為飛秒（10^-15米） - 質子直徑的距離刻度。碰撞能量越高，虛光子的波長越小，波長越小，探頭越精確和局部化。如果它足夠小，電子本質上會從質子內部的一個夸克（而不是整個質子本身）反彈，從而可以窺視粒子的內部結構。
第一個DIS實驗是該工廠的SLAC-MIT項目，然後稱為斯坦福直線加速器中心（SLAC）。1968年，它提供了夸克的第一個證據 - 這一發現贏得了1990年諾貝爾物理學獎的實驗領導者。類似的實驗發現，自由質子和中子內部的夸克和核內的夸克表現得非常不同。此外，他們發現質子和中子自旋並非來自成分夸克的旋轉，正如科學家所預期的那樣。這一發現最初是在質子中進行的，最初被稱為「質子旋轉危機」。第一個DIS撞擊器，其中電子和質子在撞擊前加速，是德國電子同步加速器（DESY）的強子 - 電子環加速器（HERA）研究中心位於德國漢堡，從1992年到2007年。HERA實驗表明，我們認為每個質子和中子內部的三個夸克的簡單配置實際上可以成為一個粒子湯，其中許多夸克和膠子立即出現並消失。HERA顯著提高了我們對核子結構的理解，但無法解決自旋危機，並且缺乏研究原子核中夸克和膠子行為所必需的核束。
使這種規模的所有觀測結果複雜化的一個主要因素是量子力學的奇怪之處。這些規則將亞原子粒子描述為概率模糊：它們在特定地點和時間不存在於特定狀態。相反，我們必須將夸克視為同時存在於無限數量的量子配置中。此外，我們必須考慮糾纏的量子力學現象，其中兩個粒子可以連接，使得它們的命運即使在它們分離之後也會纏繞在一起。糾纏可能成為觀察核尺度的基本問題，因為我們想要觀察到的夸克和膠子有可能與我們用來觀察它們的任何探針糾纏在一起 - 在虛擬光子DIS的情況下。
幸運的是，到了20世紀70年代，QCD已經足夠先進，科學家們可以發現DIS實驗中的探針和目標可以分離 - 一種稱為分解的條件。在足夠高的能量下，科學家基本上可以忽略量子糾纏在某些情況下的影響 - 足以在一個維度上描述質子的結構。這意味著他們可以從DIS實驗中提取出質子內部任何給定夸克對其前向動量貢獻特定份額的概率的測量。
最近的理論進展使我們能夠進一步推動並在多個維度上描述核子的內部結構 - 不僅夸克和膠子對它的前向動量有多大貢獻，而且還有多少它們在核子內側向移動。
但真正的進步將伴隨著EIC。
電子 - 離子對撞機
重要離子和極化質子在布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機（RHIC）內加速。EIC將製作核子內部的三維圖。我們期望對撞機能夠測量夸克和膠子的位置和動量，以及每個對核子整體質量和旋轉的貢獻。
與之前的DIS實驗相比，EIC的關鍵進步是它的亮度：例如，它每分鐘產生的碰撞比HERA多100到1,000次。此外，EIC上碰撞光束的高能量將解析質子直徑的幾百分之一的距離，使我們能夠研究大量夸克和膠子各自帶有質子前向動量的0.01％的區域。EIC還將讓我們控制粒子在其光束中旋轉的對齊，以便我們可以研究質子的自旋是如何從夸克和膠子的QCD相互作用中產生的。當我們將現代理論框架納入其中時，EIC的測量結果將使我們能夠根據夸克和膠子創建真正的質子三維圖像。
我們希望探討許多問題：例如，質子的成分是否在其中均勻分布，還是它們聚集在一起？有些人對粒子的質量和旋轉有更多的貢獻嗎？夸克和膠子在質子和中子結合在一起形成原子核的作用是什麼？這些困境剛剛開始在飛秒級別的現有設施上進行探索。EIC是第一臺引導我們完成答案的機器。
我們在核子結構概念中最大的未知之一就是當我們用非常小的尺度的極細探針觀察這些粒子時會發生什麼。這裡奇怪的事情開始發生。QCD預測，當您在越來越高的能量下進行探測時，您會發現越來越多的膠子。夸克可以輻射膠子，這些膠子反過來輻射更多的膠子，產生連鎖反應。奇怪的是，導致這種膠子輻射不是測量的動作，而是量子力學的奇怪性告訴我們質子的內部是不同的 - 只有更多的膠子 - 你看得越近。
然而我們知道這不可能是整個解決方案，因為這意味著物質正在增長而沒有限制 - 換句話說，原子在你看到它們的距離越近就會有無限數量的膠子。以前的碰撞器，包括HERA，已經看到了一種「飽和狀態」的暗示，其中質子根本不能再適合膠子，有些開始重新組合，抵消了生長。物理學家從未明確地檢測到飽和度，我們也不知道它出現的閾值。一些計算表明，膠子飽和度形成了一種新的物質狀態：具有非凡特性的「彩色玻璃凝結物」。例如，膠子的能量密度可能達到中子星能量密度前所未有的50到100倍。要達到最高可能的膠子密度區域，
建立EIC
新型對撞機的計劃獲得了美國核科學界最近（2015年）長期規劃會議以及美國能源部的強烈支持，該會議於2017年要求對美國國家科學院的EIC進行獨立評估。科學，工程和醫學（NAS）。2018年7月，NAS委員會發現EIC的科學案例具有根本性，引人注目和及時。
構建此計算機有兩種可能的途徑。一個人會升級布魯克海文的RHIC。這個名為eRHIC的計劃將在現有的RHIC加速器隧道內增加一個電子束，並使其與RHIC的一個離子束在兩個不同的點發生碰撞。
另一種可能性是在傑斐遜實驗室的連續電子束加速器設備（CEBAF）上使用電子束。在名為Jefferson Lab EIC（JLEIC）的設計下，CEBAF光束將被路由到隔壁建造的新對撞隧道。
這些設施中的任何一個都將為我們對QCD的理解提供巨大的飛躍，並最終實現核子和原子核內部的可視化。我們要麼應該讓我們解決迄今為止困擾我們的自旋，質量和其他核子特徵的問題。並且要麼有能力碰撞許多種類的原子核，包括重金，鉛和鈾，這將使我們能夠研究當它們的核子是較大原子核的一部分時夸克和膠子的擴散如何變化。例如，我們想知道一些膠子是否開始重疊並被兩個不同的質子「共享」。
飛秒技術
在21世紀，原子的大小是我們技術的限制因素。在沒有重大突破的情況下，10納米（約100個原子寬）的長度可能與電子部件的尺寸一樣小，這表明傳統的計算能力在未來不可能以超過50的速度發展。年份。
然而，核子及其內部結構的存在規模小了一百萬倍。控制這個領域的強大力量大約是為當前電子設備提供動力的電磁力的100倍 - 事實上，它是宇宙中最強大的力量。可能通過操縱夸克和膠子來創造「飛秒技術」嗎？從某種程度上說，這種技術將比現有的納米技術強大一百萬倍。當然，這個夢想是對遙遠未來的一種猜測。但要實現這一目標，我們首先必須深入了解夸克和膠子的量子世界。
EIC是世界上唯一能夠提供最大限度地理解QCD所需數據的實驗設施。然而，建立EIC並非沒有挑戰。該項目必須在很寬的能量範圍內提供非常明亮和高度聚焦的電子束，質子和其他原子核，以產生比HERA對撞機每分鐘多100至1,000倍的事件。旋轉研究要求機器提供粒子束，其自旋最大程度地對齊並且可以被控制和操縱。這些挑戰需要創新，這些創新有望改變加速器科學，不僅是為了核物理的利益，也是為了研究醫學，材料科學和基本粒子物理學的未來加速器。