意外！直到今天，科學家仍然不知道：質子的質量從何而來？

在托馬斯·傑斐遜國家加速器裝置的連續電子束流加速器裝置（CEBAF）中，電子束流形成束團。

質子和中子的質量和自旋從何而來？令人驚訝的是，我們並不知道答案。質子和中子具有內部結構——夸克，但夸克是如何組成質子的？根據量子力學，質子不是由三個夸克簡單組合在一起，而是一鍋「粒子湯」。現在，科學家需要用電子去撞擊質子，從而窺探這鍋湯裡面到底是什麼。

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？

質量不是核子身上的唯一謎團。它們的自旋同樣令人困惑——核子中夸克的自旋不足以解釋整個核子的自旋。科學家現在認為，核子的自旋、質量和其他性質都源自它們內部夸克和膠子之間的複雜相互作用，但他們不清楚其中的確切機制。而科學家通過理論也只能了解這麼多，因為夸克和膠子之間的相互作用由一種名為量子色動力學（QCD）的理論主宰，這種理論的計算極端困難。

為了更進一步地回答這些問題，我們需要新的實驗數據。因此，電子離子對撞機（EIC）的構想應運而生。其他的原子「粉碎機」，例如歐洲核子研究中心的大型強子對撞機或美國的相對論重離子對撞機（RHIC），撞擊的是質子和離子這樣的複合粒子，而EIC與它們不同，是用電子撞擊質子和中子。電子沒有內部結構，可以充當顯微鏡，讓科學家看到那些複合粒子裡面的情況。

EIC是美國核科學界當前優先級最高的項目之一，它有兩個候選地址，一個是位於長島的布魯克海文國家實驗室，另一個是位於維吉尼亞州紐波特紐斯市的托馬斯·傑斐遜國家加速器裝置（傑斐遜實驗室）。如果獲得批准，EIC可在2030年左右開始採集數據。

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這台對撞機能夠解答一個關鍵問題：單個夸克和膠子的自旋和質量是怎樣與它們集體運動的能量組合在一起，創造出質子和中子的自旋及質量的？EIC還可以回答許多其他問題，比如夸克和膠子是聚集在一起還是分散在核子內部？它們的移動速度有多快？核子在原子核中結合在一起時，這些相互作用扮演了怎樣的角色？EIC上的測量結果將會提供大量新信息，幫助我們認識物質的基本成分是如何相互作用，並最終形成可見宇宙的。在發現夸克50年後，我們終於只差一步就能解開它身上的謎題了。

難以計算的色動力學

科學家很清楚物體是怎樣由原子構造而成的，也知道物體的性質是如何由其內部原子的特性決定的。那麼，為什麼我們不明白夸克和膠子是怎樣組成核子的呢？首先，核子的大小，只有原子的百萬分之一，所以沒有一個簡單的方法可用來研究它們。此外，核子的性質源自誇克和膠子的集體行為。事實上，它們是「湧現」（emergent）出來的現象，即許多複雜粒子通過相互作用呈現出的整體效果，這些相互作用過於複雜，我們暫時還無法完全理解。

描述這些相互作用的理論是量子色動力學（QCD），它是在20世紀60年代末至70年代初發展起來的。QCD是「標準模型」的一部分，就像帶電粒子之間的電磁力由光子攜帶一樣，QCD告訴我們，把核子束縛在一起的強相互作用力是由膠子攜帶的。強相互作用力涉及的「荷」被稱為「色荷」（因此其理論叫做「色動力學」）。夸克攜帶色荷，並通過交換膠子與其他夸克相互作用。但與電磁學中本身不帶電荷的光子不同，膠子本身攜帶色荷。因此，膠子能通過交換更多的膠子與其他膠子發生相互作用。膠子的這個獨特性質意義重大，相互作用的反饋循環就是導致QCD理論經常因為過於複雜而無法計算的原因。

QCD還有一點與我們熟知的其他理論不同：當夸克相互接近時，強相互作用力反而會變弱。（在電磁學中，情況相反。）當核子內部夸克之間的距離足夠小時，夸克承受的力非常小，以至於它們好像是自由的。物理學家戴維·格羅斯（David Gross）、戴維·波利策（David Politzer）和弗蘭克·維爾切克（Frank

Wilczek）因為發現QCD理論的這一奇怪結論而贏得了2004年的諾貝爾物理學獎。而當夸克之間的距離變大時，它們之間的作用力迅速增大，強大到把夸克最終「禁閉」在核子內部——這就是你永遠不會在質子或中子外面找到一個夸克或膠子的原因。

為了在量子層面上進一步理解強相互作用力，我們需要更多信息。比如說，我們能掌握原子世界，不僅是因為我們理解了原子間的相互作用，除此之外，對這些基本零件中湧現出的現象，我們也有了相當的認識。原子和電磁學是分子生物學的基礎，但我們不可能僅根據這些知識建立起分子生物學。關鍵的突破在於研究人員發現了DNA的雙螺旋結構。要在夸克-膠子的認識上取得進展，我們需要做的就是觀察原子核的內部。

窺視核子內部的實驗

20世紀初，物理學家發現了利用X射線衍射「看見」原子的方法。用一束X射線照射樣品，然後研究它們穿過材料時產生的干涉圖案，科學家就可以看到原子組成的晶格結構。這種技術能成功的原因在於，X射線的波長與原子直徑接近，讓我們有能力探測納米級別的原子尺度。用同樣的方法，物理學家在50年前的電子質子碰撞實驗中首次「看到」了夸克，這個碰撞過程被稱為深度非彈性散射（DIS）。

在這種方法中，電子從質子（或著中子、原子核）上反彈回來並與質子交換一個虛光子。虛光子不完全是真實的——根據支配粒子相互作用的量子力學，它們會憑空出現，然後又立即消失。通過仔細測量電子反彈時的能量和角度，我們可以獲得它擊中的那個物體的信息。

DIS實驗中，虛光子的波長是飛米量級（10-15米），相當於質子直徑的尺度。碰撞過程的能量越高，交換的虛光子波長就越短，而波長越短，這個「探針」就越細，定位越精確。如果波長足夠短，電子實質上是從質子裡面的一個夸克或膠子上反彈回來（而不是從整個質子上反彈），從而可以一窺質子的內部結構。

第一個DIS實驗是在斯坦福直線加速器中心（現已更名為SLAC國家加速器實驗室）進行的，該實驗在1968年提供了首個證實夸克存在的證據，實驗主導者因此獲得了1990年的諾貝爾物理學獎。類似的實驗發現，自由質子和中子內部的夸克與原子核中質子、中子內部的夸克，在性質上有很大的差異。此外，還有實驗發現，質子和中子的自旋並不是來自構成它們的夸克的自旋。這一事實讓科學家大感意外，因為最初是在質子上發現的，所以被稱為「質子自旋危機」。

第一個DIS對撞機（也就是電子和質子在撞擊前都經過加速的機器）是德國電子同步加速器研究中心（DESY）的強子-電子環形加速器（HERA）。該對撞機從1992年一直運行到2007年。HERA實驗表明，質子和中子不是像我們過去以為那樣，只是三個夸克簡單組合在一起。事實上，它們是一鍋「粒子湯」，內部有數量眾多的夸克和膠子不斷出現又消失。HERA顯著提升了我們對核子結構的認識，但無法解決「自旋危機」。而且，由於這個加速器沒有原子核束流，所以也不能研究原子核中的夸克和膠子的行為。

在這種尺度下觀測粒子行為是非常複雜的，主要原因是量子力學本身存在一些怪誕之處。量子力學將亞原子粒子描述為機率的迷霧：它們不會在特定的時間地點，以固定的狀態存在。反之我們應該這樣理解夸克：它們同時存在於無窮多個量子態中。而且，我們必須考慮量子力學中的糾纏現象。量子糾纏可能給觀察原子核尺度的物理過程設置了一個根本的障礙，因為我們想要觀察的夸克和膠子有一定幾率與我們用來觀察它們的探針處在糾纏狀態——在DIS實驗中，用到的探針就是虛光子。當我們的觀測結果取決於我們怎麼去探測時，要定義我們所說的核子結構是什麼，似乎是不可能的。

幸運的是，到了20世紀70年代，QCD理論取得了足夠的進展，讓科學家認識到DIS實驗中的探針和靶是可以分離的——這種狀況被稱為因子化。在足夠高的能量下，科學家實際上可以在某些場合忽略量子糾纏效應——足以在一維條件下描述質子的結構。這意味著，他們可以通過DIS實驗測量任意一個夸克為整個質子貢獻了特定比例的動量（質子前進方向上的縱向動量）的機率。

最近的理論進展使我們能夠進一步地描述核子的內部結構,不再局限於一維——不僅僅是夸克和膠子為整個核子貢獻了多少縱向動量，還有它們在核子內部從一側到另一側的運動情況。

但真正的進步將隨著EIC的出現而到來。

電子離子對撞機

EIC將製作一張核子內部的三維地圖。我們希望用這台對撞機測量夸克和膠子的位置和動量，以及夸克和膠子對核子整體質量和自旋的貢獻。

與以前的DIS實驗相比，EIC的關鍵進步是它的亮度：比方說，它每分鐘的粒子碰撞數要比HERA多100~1000倍。另外，EIC上的碰撞束流能量更高，足以分辨出僅有質子直徑百分之幾的長度，讓我們可以研究質子中存在大量攜帶了約0.01%質子縱向動量的夸克和膠子的情況。EIC也能讓我們能控制束流中粒子自旋的朝向，這樣，我們就能研究質子的自旋是怎樣從夸克和膠子的QCD相互作用中產生的。把EIC的測量納入當代的理論框架，我們甚至能構建出用夸克和膠子描繪的真正的三維質子圖像。

EIC上的測量能讓我們得到第一張真正的質子3D照片。

我們有許多問題想去探索。例如，質子內部的組分粒子是均勻地散布在裡面，還是聚集在一起？是否有些組分比其他組分給質子貢獻了更多的質量和自旋？夸克和膠子在質子與中子結合成原子核時扮演了怎樣的角色？現有的實驗設施剛剛開始在飛米尺度上探索這些難題，而EIC是第一個能帶我們找到完整答案的機器。

我們對核子結構的理解存在一大疑問：當我們用一個極細的探針在非常小的尺度下探查核子時會發生什麼。在這種情況下，會發生一些奇怪的事情。QCD理論預測，你在越高的能量下探測，發現的膠子也就越多。夸克可以輻射膠子，而那些膠子接下來會輻射出更多的膠子，導致連鎖反應。奇怪的是，導致這種膠子輻射的不是測量行為，而是量子力學本身的怪誕性質。量子力學告訴我們，當你靠得更近觀測時，看到的質子內部是不一樣的——膠子變得更多了。

但我們知道這不可能是完整的答案，因為這意味著物質在無限增多——換句話說，如果你觀測時靠得足夠近，原子會擁有無窮多的膠子。包括HERA在內，之前的對撞機已經看到了一些跡象，表明膠子存在一種「飽和」狀態。在這種狀態下，質子不能容納更多的膠子，一些膠子開始合併從而抵消了增長。但物理學家從未確定無疑地探測到飽和態，並且我們不知道它出現所需的閾值。一些計算表明，膠子飽和形成了一種新的物質狀態：具有非凡特性的「色玻璃凝聚態」。例如，膠子的能量密度可能達到中子星內部能量密度的50~100倍。為了讓膠子密度達到最高的可能值，EIC將用重原子核取代質子，來探測並仔細地研究這個迷人的現象。

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建造EIC的兩個方案

建造這個新對撞機的計劃贏得了美國核科學界最近一次（2015年）長期規劃會議的強力支持，也得到了美國能源部的贊同。美國能源部在2017年要求美國科學、工程與醫學院（NAS）對EIC進行獨立評估。在2018年7月，NAS委員會得出結論，認為EIC項目是基礎、必要且及時的。

建設這台機器有兩種可能的途徑。一個途徑是升級布魯克海文的RHIC。這個計劃叫作eRHIC，將在RHIC現有的加速器隧道里增加一條電子束流，並且讓電子束流在兩個不同的地方與RHIC現有的一條離子束流對撞。

另一個方案是使用傑斐遜實驗室連續電子束流加速器裝置（CEBAF）上的電子束流。這個計劃叫作傑斐遜實驗室EIC（JLEIC），CEBAF的電子束流將會被引導到隔壁一個新的對撞機隧道中。

當電子束流在CEBAF環形管道中加速時，這些藍色的偶極磁鐵負責控制電子束流的運動方向。

這兩個裝置都能讓我們對QCD理論的理解獲得巨大飛躍，並最終給出核子和原子核內部的的可視化模型。兩者也都能讓科學家解決目前仍困擾我們的有關核子自旋、質量和其他性質的問題。並且任何一個裝置都有能力碰撞所有類型的原子核，包含金、鉛和鈾等重核，這樣我們就可以研究當核子處在更大的原子核內部時，其中的夸克和膠子的分布會有何變化。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」。

飛米技術？

在 21世紀，原子的大小就是限制我們技術的一個因素。在缺少重大突破的情況下，10納米（約100倍原子直徑）可能就是我們能造出的最小電子器件的大小，這表明傳統計算能力不太可能維持過去50年間的進步速度。

然而，核子和其內部結構的尺度比這還要小一百萬倍。控制這個微觀世界的強相互作用力比當今電子器件利用的電磁力要強60倍——實際上它是宇宙中最強的力。有沒有可能創造出操縱夸克和膠子的「飛米技術」？從某種程度上說，這種技術將比目前的納米技術強一百萬倍。當然，這個夢想是對遙遠未來的一種猜測。但為了達到這個目的，我們首先必須對夸克和膠子的量子世界有深刻的理解。

要最大限度地理解QCD理論，我們需要更多的數據，目前世界上正在籌劃的實驗裝置中，只有EIC能提供這樣的數據。但是建造EIC並非沒有挑戰。該項目必須提供高亮度、高度聚焦的電子束流、質子束流和其他原子核束流，而且這些束流要能達到很寬的能量範圍，從而獲得每分鐘比HERA對撞機多100~1000倍的對撞事例。自旋研究還要求機器提供自旋朝向高度統一的粒子束流，並且自旋的朝向是可以調節和操控的。要解決這些難題需要創新，而這些創新有望變革加速器科學，這不僅會使核物理受益，也會讓醫學、材料學和粒子物理學獲益。

本文作者：

阿布依·德什潘德是紐約州立大學石溪分校的物理教授，布魯克海文國家實驗室未來電子離子對撞機（EIC）科學部主任。

吉田陸太郎是托馬斯·傑斐遜國家加速器裝置的首席科學家，他還是該實驗EIC中心的主任。

本文譯者：王榮是中國科學院近代物理研究所副研究員。

本文審校：陳旭榮是中國科學院近代物理研究所研究員、高能核物理研究組組長，主要從事強子物理、核子結構等領域的研究。