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『彼得·希格斯』神秘的质子内部世界( 二 )


我们需要高灵敏度的探针 。
自光学显微镜诞生以来 ， 科学家们通过光学显微镜观察细菌等微小生物的动态 。 类似的方法也被应用到物理实验中来 。 在20世纪上半叶 ， 物理学家通过X射线衍射“看见”原子 。 50年前 ， 物理学家在一个电子和质子碰撞的实验中首次 “看到” 了夸克 。 这个探测过程被称为“深度非弹性散射”（Deep Inelastic Scattering, DIS） 。
DIS是一种通过用高速电子束流轰击质子或原子核来研究其内部结构的先进技术 。 根据量子力学里的波长和能量的关系 ， 碰撞过程的能量越高 ， 虚光子的波长越短 ， 探针的尺度也就越小 。 如果探针比质子本身的尺度还小很多 ， 科学家们就能“看到”质子内部更微小的粒子 ， 也就是可以“看到”质子内部的结构 。 比如 ， 在十分之一质子尺度下 ， 科学家们能看到价夸克；能量再高点 ， 到质子的百分之一尺度时 ， 就能清晰地看到海夸克；如果尺度在质子的千分之一以下 ， 则可以看到胶子 。

『彼得·希格斯』神秘的质子内部世界
本文插图
图：电子-质子非弹性散射
第一个DIS实验最早发生在德国电子同步加速器研究所（DESY）的强子-电子环形加速器HERA上 。 科学家们进行电子和质子对撞实验 。 HERA装置位于德国汉堡 ， 从1992年一直运行到2007年 。 其实验结果虽然促进了我们对核子结构的理解 ， 但还是没有解决 “自旋危机” 。 并且 ， 由于HERA装置没有重离子束流 ， 从而也不能研究原子核中的夸克和胶子的行为 。
『彼得·希格斯』神秘的质子内部世界
本文插图
图：强子-电子环加速器HERA ， 位于德国汉堡 。
就像医生通过CT对人体三维成像一样 ， 为了彻底搞清楚夸克和胶子世界的物理问题 ， 我们需要超级显微镜来观察质子的内部结构和运动规律 ， 也就是——电子离子对撞机 。
电子离子对撞机
电子-离子对撞机（Electron Ion Collider, EIC）是一种大型粒子加速器 ， 用没有内部结构的电子轰击质子和更重的原子核 ， 探索核子和原子核的内部夸克和胶子的结构及它们之间的相互作用 。 EIC对撞机的一个优势是其能量比较高 ， 从而可以更加清晰地看到质子内部结构：质子本身的百分之一到万分之一尺度的结构 。
被视为“超级多维电子显微镜”的EIC ， 将使我们获得第一张用夸克和胶子描绘的核子内部世界的高清、三维图像 ， 最终形成我们对可见宇宙的全新理解 。 宇宙深处的神秘面纱将被揭开 。
建造电子离子对撞机
科学家们正在提出新计划：建造电子离子对撞机 。
建造EIC是国际高能核物理界的最优先研究计划之一 。 目前 ， 国际核物理界已基本形成共识：EIC是研究核子、原子核内夸克胶子分布的最有效装置 。 美国和欧洲都正在计划建造高能电子离子对撞机 。
2018年发布的《美国电子离子对撞机科学评估报告》明确指出了电子离子对撞机在科学上的重要性：“核子质量如何产生等重大科学问题需要一个有高度极化的电子和离子束流的EIC ， 这个EIC还要有足够高的亮度以及足够的并且可调的质心系能量 。 这样一个EIC装置将是世界上独一无二的装置 。 ”
在中国 ， 科学家们也提出了建造中国电子离子对撞机的计划 。
基于我国2050年大科学装置发展路线图的规划 ， 由中国科学院近代物理研究所最早于2012年主导提出 ， 在强流重离子加速器装置(HIAF ， 已于2018年底在广东省惠州市开工建设)的基础上 ， 添加一条新的电子束流 ， 建成电子束流和质子/重离子束流均极化的中国电子离子对撞机(Electron Ion Collider in China, EicC) 。

『彼得·希格斯』神秘的质子内部世界


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