美国计划建造强大新型粒子加速器 旨在揭示物质的基本构造

在美国建造一个雄心勃勃的新型粒子加速器的想法刚刚得到了一个重大的推动。

美国国家科学院、工程和医学学会已经批准了电子离子对撞机(EIC)的发展。该设施由两个交叉的加速器组成，将以接近光速的速度粉碎质子和电子的光束。在每次碰撞后，科学家应该会看到粒子内部结构的“快照”，就像对原子的CT扫描一样，从这些图像中，科学家们希望以前所未有的深度和清晰度拼凑出一幅夸克和胶子的多维度图像。夸克和胶子将质子和宇宙中所有可见物质结合在一起。

EIC一旦建成，将极大地推动量子色动力学领域的发展。量子色动力学旨在回答物理学中的基本问题，如夸克和胶子是如何产生强大的力，鉴于它们是把所有物质结合在一起的“胶水”。如果建造成功，EIC将成为美国最大的加速器设施，在世界范围内仅次于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。麻省理工学院的物理学家，包括理查德·米尔纳(Richard Milner)，麻省理工学院的物理学教授，从一开始就参与了EIC的研究。

麻省理工学院新闻就关于需要一个新的粒子对撞机的原因和它的前景采访了核科学实验室的成员米尔纳。

问：给我们讲讲这个设计的历史吧。这种新型粒子加速器的实现经过了什么样的努力?

答：EIC的科学和技术案例已经发展了大约20年。随着量子色动力学(QCD)在20世纪70年代由麻省理工学院物理学教授Frank Wilczek等人发展起来，核物理学家们长期以来一直试图弥合量子色动力学和基于实验可观测粒子的成功原子核理论之间的鸿沟，这些粒子的基本成分是不可探测的夸克和胶子。

一种能够以高速率将电子与全范围的原子核碰撞，并使电子和核子极化的高能对撞机被认为是弥合这种鸿沟的必要工具。20世纪60年代末，由麻省理工学院物理学教授亨利·肯德尔(Henry Kendall)和杰罗姆·弗里德曼(Jerome Friedman )等人在SLAC实验中发现了质子的高能电子散射，从而发现了夸克，直接探测物质的基本夸克和胶子结构是公认的技术。

EIC最初的重要推动力来自印第安纳大学和麻省理工学院的核物理学家，以及欧美实验室和大学里寻求了解质子自旋起源的物理学家。在美国核物理学家在2002年、2007年和2015年进行的最近三次远程规划演习中，EIC的情况已经成熟并得到加强。在2007年的演习之后，美国的两家旗舰核设施，即布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机和杰斐逊实验室的连续电子束加速器，在协调全美国QCD界的EIC活动方面发挥了领导作用。这促使了2012年对科学案例的简明总结《电子离子对撞机：下一个QCD前沿(理解组成我们所有人的粘合剂)》的制作。

2015年的规划演习将EIC确立为在目前的计划实现之后美国核物理新设施建设的最高优先级别。这促使美国国家科学院(NAS)成立了一个委员会来评估EIC科学案例。美国国家科学院委员会审议了大约一年，这份报告于本月公开发布。

问：请给我们解释一下这个新的对撞机有多强大，它将产生什么样的新互动，以及它会帮助我们解释什么样的现象?

答：EIC将是一种强大而独特的新型加速器，将为我们了解物质的基本结构提供前所未有的渠道。EIC上的电子-离子碰撞率将会很高，比之前唯一的电子质子对撞机HERA的两个数量级还要大，HERA于1992年至2007年在德国汉堡的DESY实验室运行。有了EIC，物理学家们将能够以前所未有的空间分辨率和快门速度描绘出构成质子、中子和原子核的虚拟夸克和胶子的图像。我们的目标是提供一些微观世界基本结构的图像，这些图像可以被人类广泛地欣赏，回答诸如“质子是什么样子的?原子核是什么样子的?”的问题。

电子离子对撞机可以解决三个主要的科学问题。第一个目标是详细了解QCD内部的机制，理解质子和中子的质量，和宇宙中所有可见物质的质量是如何产生的。虽然胶子没有质量，夸克也几乎没有质量，但包含它们的质子和中子却很重，质子和中子构成了宇宙中大部分可见的质量，而核子的总质量大约是它所包含的各种夸克的质量的100倍。

第二个问题是要了解核子的固有角动量或自旋的起源，核子的固有角动量是许多实际应用的基础，包括核磁共振成像(MRI)。内部夸克和胶子的角动量，无论是固有的还是轨道的角动量，是如何引起已知的核子自旋的?第三，物质中胶子的性质，也就是它们的排列或状态，以及它们是如何将物质结合在一起的细节，这些对于我们来说还尚不清楚。物质中的胶子有点像宇宙中的暗物质：看不见，却起着关键作用。电子离子对撞机可能通过核子和原子核中大量紧密结合的胶子揭示胶子的新状态。这些问题对于我们理解宇宙中的物质是非常重要的基础。

问：麻省理工学院将在这个项目中扮演什么角色?

答：目前，麻省理工学院物理系十多名教师领导着核科学实验室的研究小组，致力于理解物质的基本结构(即QCD)。它是美国最大的大学组织，致力于QCD。理论研究主要集中在理论物理中心，实验人员主要依靠贝茨研究和工程中心的技术支持。

麻省理工学院的理论家们正在利用世界上最强大的计算机进行重要的计算，以了解QCD的基本方面。麻省理工学院的实验物理学家们正在现有的设备上进行实验，如BNL, CERN和Jefferson实验室，以获得新的见解并开发将在EIC中使用的新技术。此外，麻省理工学院(MIT)的科学家和工程师正在研发新的偏振源、探测器和创新的数据采集方案。据预计这些努力将随着EIC的实现而增加。

预计美国能源部科学办公室将在不久的将来启动EIC的官方程序，即由美国政府批准、资助和建设新的大型科学设施。关键问题是EIC选址和国际用户的参与。全球160多个实验室和大学的700多名博士共同成立了一个EIC用户小组。如果EIC的建成后能执行与过去大型设施相当的任务行程表，那么直至2030年左右的这一段时间里，它应该能一直进行科学研究。麻省理工学院在美国核物理学界有着长期的领导地位，相信在我们继续研究EIC的过程中，它将继续发挥重要作用。