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                美国对撞机开建,破解质子质量之谜

                2020/01/18
                导读
                用时10年,花费预计在16亿至26亿美元

                EIC设计示意图,图源https://www.bnl.gov/eic/machine.php

                撰文 | 邸利会(知识分子主笔)
                责编 | 陈晓雪

                ●   ●   

                我们知道,原子由原子核和电子组成,而原子核一般由质子和中子组成。质子由更小的夸克和胶子构成,胶子像胶水一样把夸克绑在一起。

                令人惊奇的是,夸克只占了质子和中子质量的很小部分,胶子可能占了宇宙可见物质质量的90%以上,这是为什么?此外,对于夸克和胶子是怎么互相组织的?我们也知之甚少。

                如今,有望解决这些疑问的利器即将诞生。

                1月9日,美国能源部宣布:将在纽约州阿普顿的布鲁克海文国家实验室,建造一座电子离子对撞机(The Electron-Ion Collider, EIC)。

                这一大科学装置的设计和建造将用时10年,花费预计在16亿至26亿美元,由美国高国会每年拨款。

                 EIC会用电子轰击质子和更重的原子核,其高光度和高偏振光束将推动粒子加速器科技的前沿,加深对原子核基础构件和它们之间作用的理解。

                美国能源部部长 Dan Brouillette 表示, EIC将确保美国处于高能物理以及加速器技术的前沿,总体上展现美国科学的领导力。他说,“美国正处于创新的黄金时代,我们期待与EIC相伴迈向下一步。EIC不仅将确保美国在核物理领域的领导地位,而且为 EIC所开发的技术还将支持潜在的巨大突破,影响人类健康、国家竞争力和国家安全?!?/section>

                EIC的设计和建造是由美国国家科学院的国家研究委员会提议的,并得到了美国联邦核科学咨询委员会的认可。

                美国能源部科学部主任 Chris Fall 博士认为,能源部很高兴能在布鲁克海文国家实验室落地电子离子对撞机,但EIC要取得成功还有赖于能源部实验室系统其他部门的参与。

                美国能源部披露,弗吉尼亚州纽波特纽斯(Newport News)的托马斯·杰斐逊(Thomas Jefferson)国家加速器设施将是EIC的主要合作伙伴,而其他几个实验室也有望为EIC的建设和核物理研究计划的实施做出贡献。

                美国能源部表示,EIC将改变国际核物理界的游戏规则,并期待与国际合作伙伴为电子离子对撞机做出怎样的贡献进行对话。

                上海李政道研究所学者季向东,在1995年就提出了质子质量的问题(Phys.Rev.Lett. 74 (1995) 1071),十几年来,他参与了电子离子对撞机的提出和论证,本刊就该项目的相关问题以及美国高能物理的发展对他做了访谈。

                EIC设计示意图,图源https://www.bnl.gov/eic/machine.php


                INTERVIEW


                《知识分子》:请先简要介绍下电子离子对撞机项目的总体情况?

                季向东:这个项目其实已经推动有十几年了,我一直参与科学讨论,包括一开始提出的建议,美国核科学委员会的规划,到美国科学院的论证,到最后的科学院报告的最终通过。

                它的形成跟美国物理的走向,将来的大科学装置的规划非常有关系。美国核物理每年的投资大概是六、七个亿美元。美国能源部与核科学相关的有三个大的科学装置,一个在托马斯·杰斐逊实验室,还有一个是在美国密歇根州立大学,第三个就是在长岛的布鲁克海文国家实验室。

                下一步要建造的这个对撞机,主要是用来进行电子和质子,以及重离子的碰撞,研究质子和原子核的内部的胶子和夸克的结构,特别是了解质子、中子的质量是怎么起源的?(物质的质量主要来自它们)自旋是怎么形成的?(医疗上的磁共振利用的就是质子的自旋)

                我们知道原子核和质子、中子的质量主要是夸克和胶子有强相互作用而引起,这只是个大致的图像,但是其中细节、具体是怎么发生的,是怎样的一个物理过程能产生质量,我们还是不很清楚。

                实际上这些问题陆陆续续也研究了半个世纪了,但是还没有一个最合适的大科学装置,专门来做这些方面的研究。

                《知识分子》:这个项目的优势在哪?

                季向东:首先它是一个对撞机,而不是一个固定靶子的实验装置(把质子或者电子用加速器加到很高的能量,然后用这些高能粒子去打靶,撞击靶子里的夸克,叫固定靶实验;让两束高能粒子迎头对撞,叫对撞机实验)。

                两个的区别就在于对撞机的能量要比固定靶实验的能量要高很多,可以看到质子内部的胶子。胶子因为不带电,通过它们非常高能的量子涨落才能看到,这是选择对撞机的原因。

                但对撞机有一个非常重要的难题,就是高亮度很难做到。比如德国HERA对撞机的亮度,只有10的31次方。现在要造的对撞机要比过去的亮度高100到1000倍,在加速器技术上还是存在非常大的挑战。像这样一个加速器,从能量上来讲不是最高的,但是从亮度上来讲在这个能区是最高的(在对撞机实验里面,不但两个束流的粒子个数要多,还得让它们聚焦在尽量小的横截面积内对撞,也就是说需要束流有尽量高的亮度)。

                《知识分子》:建这么大的装置,有20多亿美元的投入,研究一个很基础的问题?

                季向东:美国对基础科研是非常的重视,因为这样的研究在实际生活中基本上没啥用。除了一些加速器以及相关技术以外,科学上得到的成果,在短期内也许是毫无用处。但是花那么多钱去造这么一个对撞机,就说明对基础科学研究的一个重视的程度。

                《知识分子》:项目也提到对于加速器技术和部件,芯片制造测试、癌症治疗、药物医疗等潜在好处也罗列了一些。你觉得对于推动这些领域有作用吗?还是只是一些宣传?

                季向东:我认为两者都有。我觉得这些用处也许并不完全需要这样的一个投入来去发展,会是一个间接的推动。但另一方面就是会培养大量的人才,很多搞基础研究的人会流向,比如说国防、医疗、还有一些高技术领域。

                所以,可以看到有时候研究投入不是那种直接目标的,而是通过这么一个前沿的科学项目培养出好多人才,我觉得这方面还是值得学习的。

                《知识分子》:整个过程你提到,从最初提出想法,到现在经历了十几年,这是个正常的时间花费么?

                季向东:这是一个正常的。其实,科技部门的一个中心曾经要我去讲过这个大科学项目,我也专门做了一些准备去讲。当时讲完了以后,我曾想把这个参与的经历写成一个介绍,对我们的科学决策也是一个重要的参考。

                《知识分子》:最后确定建在布鲁克海文实验室,之前有没有其他实验室竞争?

                季向东:杰斐逊实验室一直是一个竞争的单位,实际上竞争过程已经持续了四五年,两家都出了自己的方案,也都有他们的加速器团队、实验团队各自为自己的设计提出理由,当然两家也各有所长,方案也非常不一样。最后选了布鲁克海文的话,我个人觉得还是一个非常好的选择,因为它在历史上出了好几个诺奖,而且他们在项目管理和科学水平上还是有一定的优势。

                但从另外一个角度讲,杰斐逊实验室也有他们优势,因为它对质子结构研究非常熟悉,相关的物理一直是世界领先的,而对于布鲁克海文则是一个新的项目。此外,杰斐逊实验室是南方唯一的实验室,所以整体上,它还是有一定的竞争力的。最后他们选择了布鲁克海文,从科学上我觉得是一个非常好的选择。

                《知识分子》:能源部报道有一句话说,EIC将改变国际核物理界的游戏规则,这个如何理解,是夸大的一个说法吗?

                季向东:我觉得美国的选择还是具有一定的前瞻性。国际上比如说像中国也在考虑电子离子对撞机(EicC),欧洲借助于他们的大强子对撞机也曾经考虑要往这个方向走。但是美国的考虑可能更成熟,因为美国在这方面已经考虑了十几年了,而且人才队伍还是比较大的。

                而且这个最后选择的方式,能区和亮度,都是比较优化的。它很可能在未来30年,在这个领域是领先的。所以,我觉得也不是一个吹牛的说法,是一个比较中肯的表述。

                《知识分子》:这个项目还需要美国能源部其他实验室的帮忙?

                季向东:这个比较容易理解,因为布鲁克海文的加速器技术还是不错的,但还有一些其他的技术它不见得是最好的,所以需要其他实验室研发的一些技术,像杰斐逊实验室的超导高频腔应该是世界上做的最好的,所以会利用他们的产品。它的探测器,很可能会用其他实验室来造。探测器本身也是一个很大的投入,很可能会有两个探测器。

                所以,尽管大的机器会在这里造,但项目里头有很多部件,还是可能要其他实验室来承担,也许避免其他实验室关门,或者其他的研究队伍的流失。

                《知识分子》:能源部提到说也需要国际团队,这是不是一个必要的?

                季向东:国际合作方面可能不会是个关键因素,有几个原因:第一,我觉得美国能源部这个项目,它并没有要求需要一定有多少百分比的国际投入,这个项目才往前推动。即使其他国家不出钱,美国能源部也会推动。

                第二,在现在的国际大环境之下,即使是基础研究,美国越来越不太愿意要别的国家参与,包括像外国人现在要到美国国家实验室去参加工作的话,越来越困难。所以我觉得大科学项目当然需要国际合作,但是现在,能起多少作用,或者它有多少期待,可能比较有限。

                《知识分子》:这样一个科学目标,国际上有其他的实验竞争吗?

                季向东:没有。有一些固定靶实验,原来在德国也有一些实验,但都不是那么太专门化的,不是为这种问题研制定做的实验装置,所以最后都比较模棱两可。我觉得像这些问题,来自国际方面的竞争应该不是太强。中国EICC现有的方案能区不一样,物理目标也不同。

                《知识分子》:质子里除了夸克,胶子质量占到90%,质子质量之谜这个问题很难解决?

                季向东:对于强相互作用,虽然我们有一个基本理论,叫量子色动力学,但这个理论太难了。我一直是研究量子色动力学理论的,其实研究质子质量的问题是我1995年提出来的。但是,到现在为止,我们并没有一个非常好的方式来解说强相互作用力是怎么工作的。

                现在很多的工作都是用大型计算机来进行解决(叫格点规范理论或量子场论),这方面在美国也是有很多的发展。这些工作国内也有但相对比较少,我们需要推动在国内大型计算机模拟的工作。但是除了计算以外,还需要有实验数据来进行佐证,因为这个科学问题确实是比较难。

                质子已经发现100年了,但其结构问题到现在为止还未解决。希望通过实验,能够提供更多的数据,来帮助我们理解究竟强相互作用是怎么创造出质子中子的。

                《知识分子》:这个对撞机的建造会持续多少年?

                季向东:今年能源部投资了1100万美元,做前期的工作准备,我想每年会不断的增加,是一个长期的过程。我估计它整个的建设也许要10年,首期工程投资大概需要5-8个亿。

                《知识分子》:它何时可以获得数据,应该是十几年以后的事了吧?

                季向东:我想应该要10年,到2030希望能够有实验数据。

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                • 2020/01/19

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