美科學家建議研發新對撞機來研究質子和中子

美國核物理學家的下一個夢想機器——大型對撞機，在美國國家科學院、工程和醫學科學院的報告中得到了重要的推動。該報告委員會對這一可以用電子離子對撞機(EIC)來完成的科學項目表示了讚許，EIC是一種價值數十億美元的加速器，可以探測質子和中子的內部結構。這一認可將有助於能源部(DOE)證明在兩個國家實驗室中建設EIC是有理由的，儘管該項目可能在未來數年內都不會獲得批准。

「我們基本上是在說，『你真的必須這麼做，』」印第安納州南本德聖母大學的核物理學家、報告委員會的聯合主席阿尼阿普拉哈米安(Ani Aprahamian)說。

質子和中子的內部結構仍然是神秘的。簡單地說，質子由三個亞原子粒子組成，稱為夸克，被強大的核力束縛著。事實上，質子要複雜得多。由於量子力學固有的不確定性，它的內部會有夸克-反夸克對在虛存在的出入。它也充滿了膠子，傳遞強大力量的量子粒子。這團亂麻如此複雜，以至於連質子的基本性質都無法解釋。例如，它的三個夸克占它質量的不到5%剩下的部分來自於虛夸克和膠子的能量。

通過將一束電子發射到一束質子或離子中，EIC將有助於解開這個謎題和一個平行的謎題:質子是如何自旋的。就像在質量的情況下，質子的自旋不僅僅是三個夸克的自旋之和;它也有未知的貢獻從膠子和夸克圍繞彼此旋轉。最後，EIC可以探測膠子的「湧現性」行為。例如，一些理論預測質子的膠子會聚集成一個量子波，有點像激光。對於這類研究，EIC比將質子撞擊成質子的機器要好，比如瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機(LHC)。阿普拉哈米安說，這是因為電子是一個極小的粒子，能產生更乾淨、更容易解釋碰撞。

伊利諾斯大學厄本納大學的理論家、報告委員會聯合主席戈登·巴姆說，EIC將有助於保持美國在碰撞光束方面的專業知識。他說:「這是美國唯一一個在未來50年左右被考慮的對撞機。」現在，美國只有紐約厄普頓布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)，該實驗室於1999年完成。歐洲有更新的大型強子對撞機，日本在筑波運行最新升級的超級強子電子-正電子對撞機。

能源部的兩個實驗室的物理學家打算用不同的方式組裝EIC。在布魯克海文，RHIC將像金這樣的重核擊碎，使其熔化，並製造出一種叫做夸克-膠子等離子體的湯。布魯克海文的物理學家最終想要添加一個電子加速器來將RHIC轉變為EIC。

然而，位於弗吉尼亞州新港新聞的托馬斯·傑斐遜國家加速器設施(傑斐遜實驗室)最近升級了它的連續電子束加速器設施(CEBAF)，該設施將電子發射到靜止目標，以研究質子、中子和原子核。傑佛遜實驗室的研究人員希望在它上面添加一個離子加速器來製造EIC。傑斐遜實驗室是一個比布魯克海文更專註於核物理的小型實驗室，它的長期生存可能依賴於獲得EIC。

該報告避免比較兩個實驗室的建議，但為能源部官員提供了一個EIC的科學案例。然而，除了運行RHIC和CEBAF，能源部耗資6.84億美元的核物理辦公室還在東蘭辛的密歇根州立大學(Michigan State University)建造價值7.3億美元的稀有同位素光束設施，該設施將在2020年建成後產生奇異的原子核。伊利諾斯州勒蒙特阿貢國家實驗室的核物理學家、能源部核科學諮詢委員會前主席Donald Geesaman指出，考慮到運營這些設施的成本，美國能源部可能短期內負擔不起EIC。

不管怎樣，我們還是歡迎更多的時間，因為Brookhaven和Jefferson實驗室的提案還不能滿足關鍵的技術要求。從1992年到2007年，德國物理學家運行了強子電子環加速器(HERA)，它也碰撞了電子和質子，揭示了膠子。EIC將以比HERA更低的能量運行，但是為了實現它的目標，它必須以100到1000倍的速率與高極化的電子和質子束產生碰撞。

目前，布魯克海文和傑斐遜實驗室的科學家們正在合作進行研發，而不是相互競爭。傑佛遜實驗室主任斯圖爾特·亨德森說:「看到這個社區能夠自我組裝，我感到非常興奮。」Brookhaven的主管Doon Gibbs說:「最直接的目標是繼續沿著這條路走下去，同時把兩個實驗室都鎖在一起。」然而，如果一切順利，這兩個實驗室的雄心最終將會發生衝突。

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