美國對撞機開建,破解質子質量之謎
2020-11-23 手機鳳凰網
撰文 | 邸利會（知識分子主筆）
● ● ●
我們知道，原子由原子核和電子組成，而原子核一般由質子和中子組成。質子由更小的夸克和膠子構成，膠子像膠水一樣把夸克綁在一起。
令人驚奇的是，夸克只佔了質子和中子質量的很小部分，膠子可能佔了宇宙可見物質質量的90％以上，這是為什麼？此外，對於夸克和膠子是怎麼互相組織的，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，美國能源部宣布：將在紐約州阿普頓的布魯克海文國家實驗室，建造一座電子離子對撞機 （The Electron-Ion Collider, EIC）。
這一大科學裝置的設計和建造將用時10年，花費預計在16億至26億美元，由美國國會每年撥款。
EIC會用電子轟擊質子和更重的原子核，其高光度和高偏振光束將推動粒子加速器科技的前沿，加深對原子核基礎構件和它們之間作用的理解。
美國能源部部長 Dan Brouillette 表示， EIC將確保美國處於核物理以及加速器技術的前沿，總體上展現美國科學的領導力。他說，「美國正處於創新的黃金時代，我們期待與EIC相伴邁向下一步。EIC不僅將確保美國在核物理領域的領導地位，而且為 EIC所開發的技術還將支持潛在的巨大突破，影響人類健康、國家競爭力和國家安全。」
EIC的設計和建造是由美國國家科學院的國家研究委員會提議的，並得到了美國聯邦核科學諮詢委員會的認可。
美國能源部科學部主任 Chris Fall 博士認為，能源部很高興EIC能在布魯克海文國家實驗室落地，但要取得成功還有賴於能源部實驗室系統其他部門的參與。
美國能源部披露，維吉尼亞州紐波特紐斯 （Newport News）的託馬斯·傑斐遜 （Thomas Jefferson）國家加速器設施將是EIC的主要合作夥伴，而其他幾個實驗室也有望為EIC的建設和核物理研究計劃的實施做出貢獻。
美國能源部表示，EIC將改變國際核物理界的遊戲規則，並期待與國際合作夥伴為EIC做出怎樣的貢獻進行對話。
上海李政道研究所學者季向東，在1995年就提出了質子質量的問題 (Phys.Rev.Lett. 74 (1995) 1071)，十幾年來，他參與了EIC的提出和論證，本刊就該項目的相關問題以及美國高能物理的發展對他做了訪談。
EIC設計示意圖，圖源https://www.bnl.gov/eic/machine.php
INTERVIEW
《知識分子》：請先簡要介紹下電子離子對撞機項目的總體情況？
季向東：這個項目其實已經推動有十幾年了，我一直參與科學討論，包括一開始提出的建議，美國核科學委員會的規劃，到美國科學院的論證，到最後的科學院報告的最終通過。
它的形成跟美國物理的走向，將來的大科學裝置的規劃非常有關係。美國核物理每年的投資大概是六、七個億美元。美國能源部與核科學相關的有三個大的科學裝置，一個在託馬斯·傑斐遜實驗室，還有一個是在美國密西根州立大學，第三個就是在長島的布魯克海文國家實驗室。
下一步要建造的這個對撞機，主要是用來進行電子和質子，以及重離子的碰撞，研究質子和原子核的內部的膠子和夸克的結構，特別是了解質子、中子的質量是怎麼起源的？ （物質的質量主要來自它們）自旋是怎麼形成的？ （醫療上的磁共振利用的就是質子的自旋）
我們知道原子核和質子、中子的質量主要是夸克和膠子有強相互作用而引起，這只是個大致的圖像，但是其中細節、具體是怎麼發生的，是怎樣的一個物理過程能產生質量，我們還不是很清楚。
實際上這些問題陸陸續續也研究了半個世紀了，但是還沒有一個最合適的大科學裝置，專門來做這些方面的研究。
《知識分子》：這個項目的優勢在哪？
季向東：首先它是一個對撞機，而不是一個固定靶子的實驗裝置 （把質子或者電子用加速器加到很高的能量，然後用這些高能粒子去打靶，撞擊靶子裡的夸克，叫固定靶實驗； 讓兩束高能粒子迎頭對撞，叫對撞機實驗）。
兩個的區別就在於對撞機的能量要比固定靶實驗的能量要高很多，可以看到質子內部的膠子。膠子因為不帶電，通過它們非常高能的量子漲落才能看到，這是選擇對撞機的原因。
但對撞機有一個非常重要的難題，就是高亮度很難做到。比如德國HERA對撞機的亮度，只有10的31次方。現在要造的對撞機要比過去的亮度高100到1000倍，在加速器技術上還是存在非常大的挑戰。像這樣一個加速器，從能量上來講不是最高的，但是從亮度上來講在這個能區是最高的 （在對撞機實驗裡面，不但兩個束流的粒子個數要多，還得讓它們聚焦在儘量小的橫截面積內對撞，也就是說需要束流有儘量高的亮度）。
《知識分子》：建這麼大的裝置，有20多億美元的投入，研究一個很基礎的問題？
季向東：美國對基礎科研是非常的重視，因為這樣的研究在實際生活中基本上沒啥用。除了一些加速器以及相關技術以外，科學上得到的成果，在短期內也許是毫無用處。但是花那麼多錢去造這麼一個對撞機，就說明對基礎科學研究的一個重視的程度。
《知識分子》：項目也提到對於加速器技術和部件，晶片製造測試、癌症治療、藥物醫療等潛在好處也羅列了一些。你覺得對於推動這些領域有作用嗎？還是只是一些宣傳？
季向東：我認為兩者都有。我覺得這些用處也許並不完全需要這樣的一個投入來去發展，會是一個間接的推動。但另一方面就是會培養大量的人才，很多搞基礎研究的人會流向，比如說國防、醫療、還有一些高技術領域。
所以，可以看到有時候研究投入不是那種直接目標的，而是通過這麼一個前沿的科學項目培養出好多人才，我覺得這方面還是值得學習的。
《知識分子》：整個過程你提到，從最初提出想法，到現在經歷了十幾年，這是個正常的時間花費麼？
季向東：這是一個正常的。其實，科技部門的一個中心曾經要我去講過這個大科學項目，我也專門做了一些準備去講。當時講完了以後，我曾想把這個參與的經歷寫成一個介紹，對我們的科學決策也是一個重要的參考。
《知識分子》：最後確定建在布魯克海文實驗室，之前有沒有其他實驗室競爭？
季向東：傑斐遜實驗室一直是一個競爭的單位，實際上競爭過程已經持續了四五年，兩家都出了自己的方案，也都有他們的加速器團隊、實驗團隊各自為自己的設計提出理由，當然兩家也各有所長，方案也非常不一樣。最後選了布魯克海文的話，我個人覺得還是一個非常好的選擇，因為它在歷史上出了好幾個諾獎，而且他們在項目管理和科學水平上還是有一定的優勢。
但從另外一個角度講，傑斐遜實驗室也有他們優勢，因為它對質子結構研究非常熟悉，相關的物理一直是世界領先的，而對於布魯克海文則是一個新的項目。此外，傑斐遜實驗室是南方唯一的實驗室，所以整體上，它還是有一定的競爭力的。最後他們選擇了布魯克海文，從科學上我覺得是一個非常好的選擇。
《知識分子》：能源部報導有一句話說，EIC將改變國際核物理界的遊戲規則，這個如何理解，是誇大的一個說法嗎？
季向東：我覺得美國的選擇還是具有一定的前瞻性。國際上比如說像中國也在考慮電子離子對撞機 （EicC），歐洲藉助於他們的大強子對撞機也曾經考慮要往這個方向走。但是美國的考慮可能更成熟，因為美國在這方面已經考慮了十幾年了，而且人才隊伍還是比較大的。
而且這個最後選擇的方式，能區和亮度，都是比較優化的。它很可能在未來30年，在這個領域是領先的。所以，我覺得也不是一個吹牛的說法，是一個比較中肯的表述。
《知識分子》：這個項目還需要美國能源部其他實驗室的幫忙？
季向東：這個比較容易理解，因為布魯克海文的加速器技術還是不錯的，但還有一些其他的技術它不見得是最好的，所以需要其他實驗室研發的一些技術，像傑斐遜實驗室的超導高頻腔應該是世界上做的最好的，所以會利用他們的產品。它的探測器，很可能會用其他實驗室來造。探測器本身也是一個很大的投入，很可能會有兩個探測器。
所以，儘管大的機器會在這裡造，但項目裡頭有很多部件，還是可能要其他實驗室來承擔，也許避免其他實驗室關門，或者其他的研究隊伍的流失。
《知識分子》：能源部提到說也需要國際團隊，這是不是一個必要的？
季向東：國際合作方面可能不會是個關鍵因素，有幾個原因：第一，我覺得美國能源部這個項目，它並沒有要求需要一定有多少百分比的國際投入，這個項目才往前推動。即使其他國家不出錢，美國能源部也會推動。
第二，在現在的國際大環境之下，即使是基礎研究，美國越來越不太願意要別的國家參與，包括像外國人現在要到美國國家實驗室去參加工作的話，越來越困難。所以我覺得大科學項目當然需要國際合作，但是現在，能起多少作用，或者它有多少期待，可能比較有限。
《知識分子》：這樣一個科學目標，國際上有其他的實驗競爭嗎？
季向東：沒有。有一些固定靶實驗，原來在德國也有一些實驗，但都不是那麼太專門化的，不是為這種問題研製定做的實驗裝置，所以最後都比較模稜兩可。我覺得像這些問題，來自國際方面的競爭應該不是太強。中國EICC現有的方案能區不一樣，物理目標也不同。
《知識分子》：質子裡除了夸克，膠子質量佔到90%，質子質量之謎這個問題很難解決？
季向東：對於強相互作用，雖然我們有一個基本理論，叫量子色動力學，但這個理論太難了。我一直是研究量子色動力學理論的，其實研究質子質量的問題是我1995年提出來的。但是，到現在為止，我們並沒有一個非常好的方式來解說強相互作用力是怎麼工作的。
現在很多的工作都是用大型計算機來進行解決 （叫格點規範理論或量子場論），這方面在美國也是有很多的發展。這些工作國內也有但相對比較少，我們需要推動在國內大型計算機模擬的工作。但是除了計算以外，還需要有實驗數據來進行佐證，因為這個科學問題確實是比較難。
質子已經發現100年了，但其結構問題到現在為止還未解決。希望通過實驗，能夠提供更多的數據，來幫助我們理解究竟強相互作用是怎麼創造出質子中子的。
《知識分子》：這個對撞機的建造會持續多少年？
季向東：今年能源部投資了1100萬美元，做前期的工作準備，我想每年會不斷的增加，是一個長期的過程。我估計它整個的建設也許要10年，首期工程投資大概需要5-8個億。
《知識分子》：它何時可以獲得數據，應該是十幾年以後的事了吧？
季向東：我想應該要10年，到2030希望能夠有實驗數據。
進入 知識分子公眾號
子菜單欄 ： 前沿爭論️→大型對撞機爭議
製版編輯 | 皮皮魚
相關焦點
-
美擬建新對撞機探究質子「內心」奧秘
科技日報訊 （記者劉霞）美國能源部官員宣布，核物理學家的下一個夢想有望在紐約實現。據美國《科學》雜誌網站9日報導，能源部將在布魯克海文國家實驗室製造新型電子-離子對撞機（EIC），讓高能電子束衝入質子內部，探究質子「內心」奧秘。 -
延續百年的質子半徑之謎,終於被破解了!
從量子力學的角度來說，質子也是一種微觀粒子，也就是具有波粒二象性。從理論上說，微觀粒子的大小可以通過康普頓波長來描述：在這裡，h是普朗克常數，而m是質子的質量，c是光速。將質子的質量代入上述公式，可以算出質子的康普頓波長為1.32飛米。這個數據具有一定的參考價值，可以將其理解為質子可能的最小直徑。 -
對撞機大解碼!科學家一直激辯的大對撞機竟然是「高富帥」
對撞機，顧名思義，專門製造「天雷地火大碰車」。兩輛大貨車全速撞在一起必然是火星四濺零件兒亂飛。科學家驅趕基本粒子使之迎面對撞，能量比大貨車還高得多。科學家製造車禍現場，越慘烈他們越高興——殘片甩出來，趁機測一測有什麼新奇的零件兒沒有。之所以基本粒子能夠具備比大貨車還高的能量，是人們「加速」出來的，所以對撞機也叫加速器。 -
世界最大粒子對撞機出現事故 磁體系統爆裂(圖)
3月22日，來賓在位於日內瓦和法國交界處地下深約100米的大型強子對撞機實驗地參觀。(圖來源：新華網) 北京時間4月4日消息，據國外媒體報導，歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)在3月27日進行的一項高壓檢測中，對撞機用於聚焦質子束的磁體系統發生爆裂，檢測現場發生陣陣巨響。 -
質子到底有多大?揭開「質子半徑之謎」
什麼是「質子半徑之謎」 μ子所帶電荷與電子相同，但質量約為電子的200倍，可看成超重版的電子。 μ子氫中的μ子比電子氫中的電子離原子核更近，μ子在原子核外的運行周期更長。這意味著質子半徑對μ子能級的影響比電子能級大得多，所造成的能級偏移也更加顯著。 換句話說，μ子能譜對質子的大小更為敏感。 -
對撞機為何 越來越「高大上」?
科學家驅趕基本粒子使之迎面對撞，能量比大貨車還高得多。科學家製造車禍現場，越慘烈他們越高興——殘片甩出來，趁機測一測有什麼新奇的零件兒沒有。 之所以基本粒子能夠具備比大貨車還高的能量，是人們「加速」出來的，所以對撞機也叫加速器。運動的粒子帶電荷，人類可以用強大的電磁場（為此得研發先進的超導技術）讓它們改變速度，跑得更快。就好像一匹馬被放進跑道，有個馴馬員不停抽它，就越跑越快。 -
世界最大對撞機LHC或揭物質世界組成之謎
儘管這些粒子的質量非常小，但超高的速度使之帶上了巨大能量。一旦它們彼此相互碰撞，將發生劇烈的爆炸。科學家們希望，這樣的爆炸能拋出一種名叫希格斯子的基本粒子。此前，科學家們只是通過運算而預言了它的存在，它也是所有已知基本粒子中，惟一尚未被找到的一個了。 然而，尚未正式「出生」的LHC，命運已然多舛。由於它的工作溫度接近「絕對零度」，所以在啟動前它必須完成降溫工作，並進行相應試運行。 -
一個至今無解的謎:構成萬物的質子和中子,質量從何而來?
據科學家估計，可觀測的宇宙中存在大約1053千克的普通物質，其中絕大部分是質子和中子，總數大約有1080個。原子就是這兩種粒子與電子組成的。但是質子和中子的質量是從何而來的呢？答案其實並不簡單。質子和中子由夸克和起著黏結作用的膠子組成。膠子是無質量的，而質子和中子（統稱為核子）內部所有夸克質量的總和不到核子總質量的2％。那麼其餘的質量是哪來的呢？ -
中國對撞機為何至今沒有開建?歐洲:再投102億美元,花十年建成
大型對撞機是科學研究上的天梯，要摘取最高的果實，對撞機是必備條件。1964年，彼得-希格斯提出了希格斯子的概念，一直到2013年才被歐洲核子研究中心所發現。理論雖然走在前面，但粒子物理領域需要對撞機的存在，用實驗來證明理論是否正確，然後我們才能開啟一扇又一扇大門。 -
解碼「對撞機」:為什麼越建越大? 能做些什麼?
科學家驅趕基本粒子使之迎面對撞，能量比大貨車還高得多。科學家製造車禍現場，越慘烈他們越高興——殘片甩出來，趁機測一測有什麼新奇的零件兒沒有。 之所以基本粒子能夠具備比大貨車還高的能量，是人們「加速」出來的，所以對撞機也叫加速器。運動的粒子帶電荷，人類可以用強大的電磁場(為此得研發先進的超導技術)讓它們改變速度，跑得更快。就好像一匹馬被放進跑道，有個馴馬員不停抽它，就越跑越快。 -
大型強子對撞機接下來會發現什麼?或解宇宙之謎
自2015年重啟以來，大型強子對撞機的運行能量已升級至原來的2倍，因此它的每一次實驗都令世人倍加關注。物理學家希望利用該設備取得物理學領域乃至宇宙範圍內的更多未解之謎，比如希格斯玻色子之類的新粒子等。那麼，大型強子對撞機將來究竟會有哪些可能的發現呢？ -
解碼「對撞機」:為什麼越建越大、能做些什麼
科學家驅趕基本粒子使之迎面對撞，能量比大貨車還高得多。科學家製造車禍現場，越慘烈他們越高興——殘片甩出來，趁機測一測有什麼新奇的零件兒沒有。 之所以基本粒子能夠具備比大貨車還高的能量，是人們「加速」出來的，所以對撞機也叫加速器。運動的粒子帶電荷，人類可以用強大的電磁場(為此得研發先進的超導技術)讓它們改變速度，跑得更快。就好像一匹馬被放進跑道，有個馴馬員不停抽它，就越跑越快。 -
破解宇宙線「世紀之謎」
原標題：破解宇宙線「世紀之謎」 近日，中國科學院高能物理研究所、四川省甘孜州人民政府、中科院成都分院在成都籤署協議，計劃在四川省甘孜州稻城縣海子山建造一座高海拔宇宙線觀測站利用觀測站，科學家將「對話」宇宙，破解宇宙線起源的世紀謎題。 研究宇宙線有啥用？ 宇宙線亦稱為宇宙射線，是來自於外太空的高能帶電粒子流，由奧地利科學家韋克多·漢斯於1912年首次發現。 -
大型強子對撞機或發現四維空間之外額外維度
科學家還表示，通過對大型強子對撞機歷時近8個月實驗結果的深入分析研究，他們或許能在2011年底前確定是否有神秘的希格斯玻色子存在。歐洲核子 研究中心大型強子對撞機項目專家組發言人奎多·託尼利(Guido Tonelli)稱，隨著質子對撞產生能量在2011年逐步增加，探測額外維度(即長、寬、高等三維空間和時間以外的維度)將變得更為容易。 -
哈佛物理博士曝美國對撞機下馬經過
近兩天，楊振寧和中科院高能物理所所長王貽芳分別發文，爭論中國是否應該修建大對撞機。這場爭論的一個導火索，就是評論家、哈佛大學物理系博士王孟源「看衰」大對撞機的文章。9月5日，王孟源在博客上回應王貽芳，稱美國大對撞機1990年代的下馬內幕是一開始壓低了預算，預算嚴重超支是美國超導超級對撞機(SSC)失敗的主要原因。這與王貽芳的觀點截然不同。 -
質子電荷半徑之謎真的解決了嗎?
質子究竟有多大？十多年前，測量質子電荷半徑的兩種方法——光譜學法與散射法給出了基本一致的測量結果，0.88飛米（fm，1飛米=10^-15米）。然而在2010年，用μ子-氫原子光譜法測得的質子電荷半徑卻給出了0.84飛米的結果，質子變小了！多年來，科學家一直努力探尋這個不同尋常的「質子電荷半徑之謎」。 -
全球最大粒子對撞機設計出爐,中國用它徵服宇宙
--傑克·倫敦11月12日，中國「環形正負電子對撞機-超級質子對撞機」(CEPC-SppC)項目發布最新進展，據該項目牽頭單位中科院高能物理研究所介紹，超級質子-質子對撞機(SppC)的概念設計報告將於今年年底完成，該報告將回答該對撞機要解決哪些問題、如何建設、有何設計指標、有多大難度等問題。 -
美國著名天文學家:宇宙和生命誕生之謎,是人類亟待破解的難題!
最近在杜拜召開「世界政府首腦峰會」上，美國著名天體物理學家尼爾·泰森發表演講，指出了目前困擾人類的三大難題：暗物質我們能觀測或觸摸到的普通物質，從中子、電子、質子，到遙遠的星系，只佔整個宇宙物質總量的5%，其他絕大部分物質是什麼？如何產生？有何性質？ -
歐洲證明「上帝粒子」存在 或解釋宇宙初創之謎
歐洲核子中心提供強力證據證明希格斯玻色子存在 解釋宇宙初創之謎 我專家解讀—— 用收音機搜到「上帝粒子」信號 據英國《每日郵報》報導，人類距離了解宇宙誕生之謎又邁進一大步歐洲核子中心（CERN）昨日公布來自大型強子對撞機（LHC）的重要數據，顯示有「上帝粒子」之稱的希格斯玻色子存在的強有力證據。 中國社科院專家上午接受法晚記者採訪時稱，這一數據就好似我們用收音機收到了「上帝粒子」的信號，未來一年之內，將很有可能發現這一粒子，解釋宇宙初創之謎。 -
神秘的質子內部世界
希格斯機制產生的夸克質量很小，比如上夸克（up quark）和下夸克（down quark）的質量只有幾個MeV。所以含有兩個上夸克和一個下夸克的質子質量只有大約十幾個MeV。但是，我們知道質子真實的質量大約是938 MeV。除由希格斯機制產生的夸克質量外，質子質量主要由相對論性夸克膠子相互作用產生。如何精確地確定質量成分呢？答案是：需要先搞清楚質子的內部結構。