美国将建设史诗级的粒子对撞机，以揭示物质聚合在一起的秘密

1956年，诺贝尔奖得主、美国物理学家罗伯特·霍夫斯塔德（Robert Hofstadter）和他的团队在斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center）向一小瓶氢发射了高能量电子，从此开启了物理学的新时代。

在此之前，人们一直认为构成原子核的质子和中子是自然界中最基本的粒子。它们被认为是空间中的“点”，缺乏物理尺寸。现在突然明白了，这些粒子根本就不是基本的，也有大小和复杂的内部结构。

霍夫斯塔德和他的团队看到的是电子在撞击氢时“散射”或反弹的微小偏差。这表明原子核有比他们想象的点状质子和中子更多的东西。

随后，在世界各地进行的加速器实验（将粒子推进到极高能量的机器），预示着我们对物质理解的范式转变。

然而，关于原子核，其实我们还有很多不了解的地方，包括将原子核维系在一起的四种基本自然力之一的“强力”。

现在，在来自世界各地的1300名科学家的帮助下，美国长岛布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）将在十年内建造一个全新的加速器，即电子离子对撞机，可以有助于把我们对原子核的理解提升到一个新的水平。

上图：电子与带电原子的碰撞如何揭示其核结构。

强大而奇异的力量

在20世纪50年代的发现之后，人们很快就清楚了，夸克和胶子粒子是物质的基本构件。它们是强子的组成部分，强子是质子和其他粒子的统称。

有时人们会想象，这些粒子就像乐高积木一样，由一定形状的夸克组成质子，然后质子和中子耦合在一起形成一个原子核，而原子核则吸引电子来建造一个原子。但是夸克和胶子绝不是静态的积木。

一种被称为量子色动力学的理论描述了强作用力如何在夸克之间发挥作用，夸克是由胶子介导的，胶子是力的载体。然而，它不能帮助我们解析地计算质子的性质。这不是我们的理论家或计算机的过错 —— 方程式本身就是不可解的。

这就是为什么质子和其他强子的实验研究如此关键：要了解质子和束缚它的力，必须从各个角度研究它。在这方面，加速器就是我们最强大的工具。

然而，当你用对撞机（一种使用两束光束的加速器）观察质子时，我们看到的是什么，取决于我们观察的深度和对象：有时它表现为三个组成夸克，有时表现为胶子的海洋，或大量夸克及其反粒子对的海洋（反粒子与粒子几乎相同，但具有相反的电荷或其他量子特性）。

因此，尽管我们在过去60年中对这一最小尺度的物质的理解取得了巨大进步，但仍有许多谜团是当今的工具无法完全解决的。夸克在强子内的约束的本质是什么？质子的质量是如何从轻了1000倍、几乎没有质量的夸克中产生的？

要回答这些问题，我们需要一种“显微镜”，它可以通过最宽的放大范围，对质子和原子核的结构进行细致的成像，并构建它们的结构和动力学的3D图像。这正是新的对撞机将要做的事情。

新实验装置

电子离子对撞机（EIC）将使用一束非常强的电子束作为它的探针，它将有可能切开质子或原子核，并观察其内部的结构。

它将通过将一束电子与一束质子或离子（带电原子）碰撞，来观察电子是如何散射的。离子束是世界上第一个这样的离子束。

几乎无法察觉的效果，例如非常罕见的散射过程，您在十亿次碰撞中只能观察到一次，将变得可见。

通过研究这些过程，科学家将能够揭示质子和中子的结构，当它们被强力束缚时如何改变，以及如何产生新的强子。我们还可以发现什么样的物质是由纯胶子组成的 —— 这是我们从未见过的东西。

上图：实验方案。

对撞机可以调节到很宽的能量范围：这就像转动显微镜上的放大刻度盘一样，能量越高，人们可以看到的质子或原子核内部越深，并且可以解析的特征越精细。

作为 EIC 团队的一部分，世界各地科学家新成立的合作机构也在设计探测器，这些探测器将放置在对撞机的两个不同碰撞点上。

这项工作的各个方面是由英国团队领导的，他们刚刚获得了一笔拨款，负责设计探测器的三个关键部件，并开发实现它们所需的技术：用于精确跟踪带电粒子的传感器，用于探测散射到束流线附近的电子的传感器，以及用于测量在碰撞中散射的粒子的极化（自旋方向）的探测器。

虽然，可能还需要10年时间才能完全设计和建造完成对撞机，但这绝对是非常值得的。

理解质子的结构，以及通过质子产生宇宙中99%以上可见质量的基本力，是当今物理学中最大的挑战之一。

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