摘要
- 质子和中子在哪里得到它们的质量和旋转？令人惊讶的是，科学家并不知道。
- 不知何故，这些粒子的成分 -夸克和胶子 - 在复杂的相互作用//www.58yuanyou.com中结合，产生质子和中子的特性。
- 要了解如何，物理学家想要建立一个电子离子对撞机，用电子粉碎质子和原子核，提供原子核内部的三维图像。
可观测的宇宙估计包含大约10^53千克的普通物质，其中大部分是大约1080个质子和中子的形式，它们与电子一起是原子的成分。但是质子和中子的质量是什么呢？
事实证明，答案并不简单。质子和中子由称为夸克的粒子和称为胶子的结合粒子组成。胶子是无质量的，质子和中子内的夸克质量（统称为“核子”）的总和约占核子总质量的2％。那么剩下的来自哪里呢？
这不是这些基本原子碎片的唯一奥秘。核子的旋转同样令人费解 - 其中的夸克旋转无法解释它。科学家现在认为自旋，质量和其他核子特性是由夸克和胶子之间的复杂相互作用产生的。但究竟如何发生这种情况尚不清楚。理论只能告诉科学家这么多，因为夸克和胶子的相互作用是由称为量子色动力学（QCD）的理论所统治的，这种理论非常难以计算。
为了向前发展，我们需要新的实验数据。这就是电子 - 离子碰撞器（EIC）的用武之地。与其他原子打击器不同，例如日内瓦附近的欧洲核子研究中心大型强子对撞机或美国的相对论重离子对撞机（RHIC），它们撞击质子和离子等复合粒子， EIC会使质子和中子与电子碰撞。后者没有内部结构，成为一种在复合颗粒内部看到的显微镜。
EIC是美国核科学界的最高优先事项之一，最有可能建在两个美国物理实验室之一 - 长岛布鲁克海文国家实验室或弗吉尼亚州纽波特纽斯的托马斯杰斐逊国家加速器设施（杰斐逊实验室）如果获得批准，对撞机可以在2030年左右开始收集数据。机器将能够看到夸克和胶子的个体自旋和质量以及它们的集体运动的能量如何组合以产生质子的自旋和质量。和中子。它还应该回答其他问题，例如夸克和胶子是否聚集在一起或在核子内扩散，它们移动的速度以及这些相互作用在核中将核子结合在一起的作用。EIC的测量结果将提供大量关于物质基本成分如何相互作用以形成可见宇宙的新信息。在发现夸克五十年后，我们终于可以解开它的神秘面纱。
紧急现象
科学家们很清楚物体是如何由原子构成的，以及这些物体的特征是如何从它们内部的原子特征中产生的。事实上，我们现代生活的大部分依赖于我们对原子，电子和电磁学的了解 - 这些知识是我们的汽车和智能手机工作的原因。那么为什么我们不理解核子是如何由夸克和胶子组成的呢？首先，夸克至少比质子小10,000倍，因此没有简单的方法来研究它们。*此外，核子的特征源于夸克和胶子的集体行为。事实上，它们是紧急现象，是许多复杂参与者的结果，这些参与者的互动过于复杂，我们现在无法完全理解。
控制这些相互作用的理论，量子色动力学，是在20世纪60年代末和70年代初期发展起来的。它是粒子物理学的总体理论的一部分，称为标准模型，它描述了宇宙的已知力（除了重力）。正如带电粒子之间的电磁力由光子或光粒子携带一样，QCD告诉我们强力 - 将核子保持在一起的力 - 由胶子携带。涉及强力的“电荷”称为“颜色”（因此是“色动力学”）。夸克携带彩色电荷并通过交换胶子相互作用。但与电磁学不同，光子本身没有电荷，胶子带有颜色。因此，胶子通过交换更多的胶子与其他胶子相互作用。这种皱纹具有深远的意义。
- 蓝色偶极磁铁有助于引导电子束在CEBAF环路周围加速。
QCD也不同于更熟悉的理论，因为夸克得到的力量越强，力越强。（在电磁学中，情况恰恰相反，当带电粒子移动得更远时，力会变弱。）在核子内的足够短的距离内，夸克感觉到它们的力量很小，就好像它们是自由的一样。
QCD的这种奇怪后果的发现为物理学家David Gross，H。David Politzer和Frank Wilczek赢得了2004年诺贝尔物理学奖。当夸克彼此远离时，它们之间的力量迅速增长并变得如此强烈以至于夸克最终被“限制”在核子内部 - 这就是为什么你永远不会在质子或中子外面找到夸克或胶子的原因。只要夸克彼此靠近并且彼此之间相互作用弱，科学家就可以计算QCD相互作用;
为了进一步了解强力的量子领域，我们需要更多的信息。例如，我们对原子领域的掌握并非仅仅来自我们对原子及其相互作用的理解 - 它来自我们对这些基本构件之上出现的新兴现象的把握。根据我们对其基础 - 原子和电磁学的了解，不可能构建分子生物学。当研究人员发现DNA的双螺旋结构时，尤里卡时刻到来。原由网我们在quarkgluon世界中需要取得进展的是在核心内部。
“看到”原子
在20世纪的第一部分，物理学家发现了如何通过一种叫做X射线衍射的过程“看到”原子。通过在样品上照射一束X射线并研究它们穿过材料时产生的干涉图案，科学家们可以看到它的原子晶体结构。这项技术的工作原理是X射线的波长类似于原子的大小，使我们能够探测纳米（10 ^-9米）的原子距离尺度。以同样的方式，物理学家在50年前首次在一个称为深度非弹性散射或DIS的过程中碰撞电子和质子的实验中“看到”夸克。
在这种方法中，电子从质子（或中子或核）反弹并与之交换虚光子。虚拟光子并非完全真实 - 它由于量子力学而控制粒子相互作用，从而快速地存在和不存在。通过仔细测量电子反弹时的能量和角度，我们可以获得有关电子的信息。
DIS实验中的虚光子的波长大约为飞秒（10^-15米） - 质子直径的距离刻度。碰撞能量越高，虚光子的波长越小，波长越小，探头越精确和局部化。如果它足够小，电子本质上会从质子内部的一个夸克（而不是整个质子本身）反弹，从而可以窥视粒子的内部结构。
第一个DIS实验是该工厂的SLAC-MIT项目，然后称为斯坦福直线加速器中心（SLAC）。1968年，它提供了夸克的第一个证据 - 这一发现赢得了1990年诺贝尔物理学奖的实验领导者。类似的实验发现，自由质子和中子内部的夸克和核内的夸克表现得非常不同。此外，他们发现质子和中子自旋并非来自成分夸克的旋转，正如科学家所预期的那样。这一发现最初是在质子中进行的，最初被称为“质子旋转危机”。第一个DIS撞击器，其中电子和质子在撞击前加速，是德国电子同步加速器（DESY）的强子 - 电子环加速器（HERA）研究中心位于德国汉堡，从1992年到2007年。HERA实验表明，我们认为每个质子和中子内部的三个夸克的简单配置实际上可以成为一个粒子汤，其中许多夸克和胶子立即出现并消失。HERA显着提高了我们对核子结构的理解，但无法解决自旋危机，并且缺乏研究原子核中夸克和胶子行为所必需的核束。
使这种规模的所有观测结果复杂化的一个主要因素是量子力学的奇怪之处。这些规则将亚原子粒子描述为概率zHcpNveWU模糊：它们在特定地点和时间不存在于特定状态。相反，我们必须将夸克视为同时存在于无限数量的量子配置中。此外，我们必须考虑纠缠的量子力学现象，其中两个粒子可以连接，使得它们的命运即使在它们分离之后也会缠绕在一起。纠缠可能成为观察核尺度的基本问题，因为我们想要观察到的夸克和胶子有可能与我们用来观察它们的任何探针纠缠在一起 - 在虚拟光子DIS的情况下。
幸运的是，到了20世纪70年代，QCD已经足够先进，科学家们可以发现DIS实验中的探针和目标可以分离 - 一种称为分解的条件。在足够高的能量下，科学家基本上可以忽略量子纠缠在某些情况下的影响 - 足以在一个维度上描述质子的结构。这意味着他们可以从DIS实验中提取出质子内部任何给定夸克对其前向动量贡献特定份额的概率的测量。
最近的理论进展使我们能够进一步推动并在多个维度上描述核子的内部结构 - 不仅夸克和胶子对它的前向动量有多大贡献，而且还有多少它们在核子内侧向移动。
但真正的进步将伴随着EIC。
电子 - 离子对撞机
- 重要离子和极化质子在布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）内加速。
EIC将制作核子内部的三维图。我们期望对撞机能够测量夸克和胶子的位置和动量，以及每个对核子整体质量和旋转的贡献。
与之前的DIS实验相比，EIC的关键进步是它的亮度：例如，它每分钟产生的碰撞比HERA多100到1,000次。此外，EIC上碰撞光束的高能量将解析质子直径的几百分之一的距离，使我们能够研究大量夸克和胶子各自带有质子前向动量的0.01％的区域。EIC还将让我们控制粒子在其光束中旋转的对齐，以便我们可以研究质子的自旋是如何从夸克和胶子的QCD相互作用中产生的。当我们将现代理论框架纳入其中时，EIC的测量结果将使我们能够根据夸克和胶子创建真正的质子三维图像。
我们希望探讨许多问题：例如，质子的成分是否在其中均匀分布，还是它们聚集在一起？有些人对粒子的质量和旋转有更多的贡献吗？夸克和胶子在质子和中子结合在一起形成原子核的作用是什么？这些困境刚刚开始在飞秒级别的现有设施上进行探索。EIC是第一台引导我们完成答案的机器。
我们在核子结构概念中最大的未知之一就是当我们用非常小的尺度的极细探针观察这些粒子时会发生什么。这里奇怪的事情开始发生。QCD预测，当您在越来越高的能量下进行探测时，您会发现越来越多的胶子。夸克可以辐射胶子，这些胶子反过来辐射更多的胶子，产生连锁反应。奇怪的是，导致这种原由网胶子辐射不是测量的动作，而是量子力学的奇怪性告诉我们质子的内部是不同的 - 只有更多的胶子 - 你看得越近。
然而我们知道这不可能是整个解决方案，因为这意味着物质正在增长而没有限制 - 换句话说，原子在你看到它们的距离越近就会有无限数量的胶子。以前的碰撞器，包括HERA，已经看到了一种“饱和状态”的暗示，其中质子根本不能再适合胶子，有些开始重新组合，抵消了生长。物理学家从未明确地检测到饱和度，我们也不知道它出现的阈值。一些计算表明，胶子饱和度形成了一种新的物质状态：具有非凡特性的“彩色玻璃凝结物”。例如，胶子的能量密度可能达到中子星能量密度前所未有的50到100倍。要达到最高可能的胶子密度区域，
建立EIC
新型对撞机的计划获得了美国核科学界最近（2015年）长期规划会议以及美国能源部的强烈支持，该会议于2017年要求对美国国家科学院的EIC进行独立评估。科学，工程和医学（NAS）。2018年7月，NAS委员会发现EIC的科学案例具有根本性，引人注目和及时。
构建此计算机有两种可能的途径。一个人会升级布鲁克海文的RHIC。这个名为eRHIC的计划将在现有的RHIC加速器隧道内增加一个电子束，并使其与RHIC的一个离子束在两个不同的点发生碰撞。
另一种可能性是在杰斐逊实验室的连续电子束加速器设备（CEBAF）上使用电子束。在名为Jefferson Lab EIC（JLEIC）的设计下，CEBAF光束将被路由到隔壁建造的新对撞隧道。
这些设施中的任何一个都将为我们对QCD的理解提供巨大的飞跃，并最终实现核子和原子核内部的可视化。我们要么应该让我们解决迄今为止困扰我们的自旋，质量和其他核子特征的问题。并且要么有能力碰撞许多种类的原子核，包括重金，铅和铀，这将使我们能够研究当它们的核子是较大原子核的一部分时夸克和胶子的扩散如何变化。例如，我们想知道一些胶子是否开始重叠并被两个不同的质子“共享”。
飞秒技术
在21世纪，原子的大小是我们技术的限制因素。在没有重大突破的情况下，10纳米（约10原由网0个原子宽）的长度可能与电子部件的尺寸一样小，这表明传统的计算能力在未来不可能以超过50的速度发展。年份。
然而，核子及其内部结构的存在规模小了一百万倍。控制这个领域的强大力量大约是为当前电子设备提供动力的电磁力的100倍 - 事实上，它是宇宙中最强大的力量。可能通过操纵夸克和胶子来创造“飞秒技术”吗？从某种程度上说，这种技术将比现有的纳米技术强大一百万倍。当然，这个梦想是对遥远未来的一种猜测。但要实现这一目标，我们首先必须深入了解夸克和胶子的量子世界。
EIC是世界上唯一能够提供最大限度地理解QCD所需数据的实验设施。然而，建立EIC并非没有挑战。该项目必须在很宽的能量范围内提供非常明亮和高度聚焦的电子束，质子和其他原子核，以产生比HERA对撞机每分钟多100至1,000倍的事件。旋转研究要求机器提供粒子束，其自旋最大程度地对齐并且可以被控制和操纵。这些挑战需要创新，这些创新有望改变加速器科学，不仅是为了核物理的利益，也是为了研究医学，材料科学和基本粒子物理学的未来加速器。
