电子-离子对撞机：研究结合可见物质的“胶水”的精密工具

图1：组成一个质子的粒子的质量之和——夸克（大色球）、胶子（黄色曲线）和夸克反夸克对（较小的球体）的质量之和为1.8 10-26克，而包含这些粒子及其相互作用的质子的重量几乎是100倍。EIC可以确切地揭示夸克-胶子相互作用是如何产生质子质量的。作者：布鲁克海文国家实验室

电子离子对撞机（EIC）计划由美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室（BNL）与托马斯·杰斐逊国家加速器设施（Jefferson Lab）合作建造，它将是研究原子最深未探测凹坑的最先进工具。它将深入研究构成原子核的质子和中子，提供前所未有的洞察这些粒子的内部构造块和将它们结合在一起的胶状力是如何构成宇宙中几乎所有可见物质的结构的。

电子-离子对撞机科学：质量起源

我们知道质子是由夸克和胶子海组成的（见方框）。这些胶子还不断产生夸克和反夸克对（称为海夸克）。因此，质子的内部微观结构是非常丰富的。人们可以假设，粒子的丰度可以解释质子的质量来源，但夸克几乎没有质量，胶子没有质量。如果我们把构成质子的夸克的质量加起来，它们只占质子总质量的1%。

剩下的99%呢？令人惊讶的是，它似乎来自于质子内部构件之间的相互作用能量。事实上，它看起来像核子，原子核，以及所有可见宇宙中的行星和星系都是通过无质量胶子和几乎无质量夸克的相互作用来获得质量的。这是怎么发生的？电子-离子对撞机将解决这个深奥而久远的谜团。

自20世纪60年代以来，物理学家们就知道质子和中子，统称为核子，是由被称为夸克的基本粒子组成的，它们被胶子交换产生的力束缚在一起。我们称之为“强大的力量”强大的力量取决于一种不同类型的电荷的存在，称为“颜色电荷”与“电荷”不同，电荷有两种类型（正电荷和负电荷），强电似乎有三种类型，称为“颜色”（红色、蓝色和绿色）。

另一个重要的区别是，与介导电磁力的光子不同，介导强电磁力的胶子可以而且确实相互作用。这是使强大的力量如此强大的特征之一。事实上，在自然界中找不到自由夸克是不可能的。相反，夸克总是被限制在复合粒子中，比如质子。然而，在质子内部，夸克基本上是可以自由移动的。

尽管经过60多年的探索，我们对夸克禁闭和质子内部渐近自由之间的明显差异以及胶子在强力相互作用中的作用的认识和理解，与我们对当今电子技术的核心力量电磁学的理解相比，令人惊讶地不足。我们能做得更好吗？是的，但为此我们需要确定胶子并更精确地理解它的胶子行为。为此，我们需要主任工程师。我们所学到的可能会揭开自然界最强大力量的秘密，以及应用这些知识的潜在新方法。

图2：质子和中子由三个价夸克（如图中带箭头的大色球）、胶子海（黄色摆动）和海夸克（右图中一对较小的彩色夸克和反夸克）组成。EIC将探索这些夸克和胶子的自旋及其可能的轨道运动如何产生质子的总自旋。作者：布鲁克海文国家实验室

电子-离子对撞机科学：自旋的起源

夸克和胶子也有一种称为自旋的性质——一种内在角动量的形式。你可以把自转想象成类似于地球绕自己的轴自转，结果是白天和黑夜。夸克和胶子是质子的一部分，质子也有一个明确的“自旋”，因此夸克和胶子自然会对质子的自旋作出贡献。然而，迄今为止进行的实验表明，夸克和胶子自旋只能解释质子总自旋的40-50%。

科学家们认为，质子的剩余自旋一定来自于质子内部的夸克和胶子的运动，这些运动与质子的轨道角动量一致，在地球的情况下，这就是行星绕太阳的运动。有足够的证据证明夸克和胶子在质子内部的横向运动，但只有EIC能够测量出这种运动是否与角动量一致。如果是真的，可能会出现一幅美丽一致的图片，表明解释核子自旋的轨道运动也会产生夸克和胶子的能量，同时也解释了质子的质量。

EIC科学：胶子饱和

过去实验的测量表明，原子核内的胶子数密度在高能解释夸克-胶子相互作用的理论可以解释这种增加。然而，在极高的能量下，除了实验所探索的之外，该理论和基本物理的某些基本规则和论据表明，胶子密度的上升有一个上限。

在这种情况下，一种新的饱和胶子物质状态，称为彩色玻璃凝聚体（CGC）有望形成。对CGC的理论研究表明，它应该具有一些非常有趣的特性，包括与我们宇宙中密度最高的天体中子星核心的能量密度一样高或更高。这种奇异的胶子物质真的存在吗？如果是的话，它的性质是什么？我们如何系统地研究它们？如果CGC不存在，那么物理学中有什么未知机制限制了高能下胶子的数量？电子-离子对撞机将探索这一奥秘。

图3：质子中胶子的数量随着能量的增加而增加。理论预测它必须饱和才能形成一种新的胶子形式的物质，称为彩色玻璃凝聚体。发现和详细研究CGC是EIC的主要目标之一。作者：布鲁克海文国家实验室

主任工程师向前迈进

认识到理解质量和自旋起源的重要性以及发现和研究核子和原子核中饱和胶子态的潜力的重要性，一个国际物理学家团体概述了一台可以开始探索核物理这一新前沿的机器的参数。

一致意见要求建造一个高强度、高能电子-离子对撞机，并控制碰撞光束中粒子的自旋方向。美国国家科学、工程和医学院（NAS）2018年的一份报告总结说，“EIC科学是令人信服的、基础性的和及时的。”2020年1月，美国能源部（DOE）宣布，该设施将建在纽约布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）。最近的一项评估认为，美国能源部科学办公室（DOE Office of Science）为主任工程师提供的成本范围为17亿至28亿美元，预计纽约州将提供1亿美元的捐款。

杰弗逊和其他实验室的技术人员，以及其他来自布鲁克实验室的专业人员正在合作。该团队希望在2024年开始建设，目标是在20世纪30年代内对撞机投入运行。

EIC将具有以下主要特点：

• 高亮度：EIC将以1 10的速率产生粒子碰撞34每平方厘米每秒。大量的碰撞（也称为高亮度）意味着大量的数据。
• 高极化：电子和一些离子束都将被极化，这使得EIC成为世界上唯一具有这种能力的设施。这意味着粒子的自旋可以以特定的方式排列。EIC物理学家将对撞极化粒子来研究它们内部的自旋和轨道运动积木为他们的整体发展做出贡献。
• 高能：EIC将在200亿到1400亿电子伏特（GeV）的可变质量中心产生碰撞。在普通事物的尺度上，这比两个蚊子相撞的能量要少。但是，在电子与质子碰撞的尺度上，它足以产生质子内部成分的高分辨率快照。
• 不同的离子种类：EIC的离子源，已经在相对论重离子对撞机（RHIC）和邻近的NASA空间辐射实验室使用，可以提供周期表上几乎任何元素的离子。光离子束（质子、氘和氦-3）将从它们的源头产生偏振。EIC的科学家们将使用从质子到重离子的广泛光束，来探索离子大小和原子核的其他特征如何影响夸克和胶子的性质和相互作用。

图4:EIC将使用现有的相对论重离子对撞机（RHIC）的隧道，该隧道目前作为美国能源部布鲁克海文实验室核物理研究的科学用户设施，以及其中一个现有的离子加速器环（以黄色显示）。一个新的电子束设施（红色和青色）将被建造来注入、加速、储存电子，并在两个可能的探测器位置与离子（原子核被剥离电子）碰撞。离子束将在离子源处制备，并通过现有加速器链（绿色）加速，包括助推器和交变梯度同步加速器（AGS）。作者：布鲁克海文国家实验室

EIC探测器的设计

世界各地的科学家也在努力设计探测器系统，以充分利用EIC的技术能力。EIC用户组（EICUG）于2016年正式成立，一直积极与布鲁克海文实验室和杰斐逊实验室管理团队以及DOE合作制定计划。从大约700名科学家开始，该组织现已发展到超过1300名参与者，来自超过250个机构和33个国家。当EIC准备好运行时，预计将有2000名科学家进行实验。

EIC项目管理团队于2021年2月发出了探测器合作建议的呼吁。这一呼吁正式启动了完善探测器设计和形成实验合作的进程。三个团队提交了详细的计划，目前正在由布鲁克海文实验室和杰斐逊实验室管理团队任命的外部委员会进行审查。

理想情况下，EIC的科学家们希望建造两个互补的探测器，这样他们就可以收集不同种类的数据和/或互相核对对方的发现。布鲁克海文对撞机复合体有两个相互作用区域，用于此类大型EIC探测器。美国能源部科学办公室的EIC项目包括为加速器、一个交互区域和一个探测器提供资金。

作为电子离子对撞机团队合作建设战略的一部分，项目组和用户组正在努力吸引更多的资金来源，包括国际和非能源部的资金。这些额外的非能源部资金可能被用于在第二个相互作用区域建立一个互补探测器系统，以最大限度地提高EIC综合体的科学产出。EIC项目随时准备探索所有这些可能性，并欢迎来自世界各地的任何此类合作倡议。

图5：理想的EIC探测器，如EIC用户组报告中所设想的，包括用于跟踪和识别各种类型的粒子并测量其能量和动量等特性的子探测器系统。作者：布鲁克海文国家实验室

社会效益

EIC将是有史以来设计和运行的世界上最复杂的加速器项目之一。EIC的多功能性和灵活性使其成为一台具有挑战性但令人兴奋的机器。参与该项目的物理学家和工程师将开发许多最先进（或更先进）的加速器技术，以便在未来几年内使这台机器成为现实。这样一项具有挑战性的努力将吸引世界上最有才华和雄心勃勃的加速器科学家。目前正在与领先的国家和国际加速器实验室开展合作，以贡献和参与EIC设计。一旦探测器开始建造和EIC投入运行，类似的国际合作有望出现。

这种集中精力设计和开发新技术的努力，很可能引发影响远远超出核物理领域的创新。癌症治疗就是一个例子。与粒子束相关的EIC改进可以改善用于治疗癌症的粒子束的输送和质量，降低成本，提高效率和疗效。

另一个潜在的影响可能是工业用加速器的改进，例如测试计算机芯片，研究电池和太阳能电池的新材料，开发替代和清洁能源技术。这些改进也将有利于生物医学行业，在那里，加速器被用来研究不同种类的蛋白质，包括药物和疫苗的开发，以及检查和保持我们的食品供应安全。

预计对电子-离子对撞机探测器组件的研发也将推动技术的发展，并带来可直接出口用于安全行动的新思想，例如，识别封闭货柜中的非法药物或识别其他国家安全（敏感）材料。

此外，EIC对高效数据收集、存储和分析的需求将推动计算技术的进步，并扩展到其他领域，包括金融、气候建模和其他数据密集型挑战。

图6：组成EIC用户组的机构图。目前的成员有来自33个国家250多个机构的1300多名科学家。作者：布鲁克海文国家实验室

最后，也许最重要的是，通过吸引世界各地最优秀的科学、技术、工程和数学（STEM）劳动力来建设和运营EIC，我们将为明天建设一支精通技术的劳动力队伍，同时也将为世界各国建立联系的桥梁。

来自不同国家和文化背景的学生和研究人员将齐聚一堂，共同研究核科学和粒子科学以及加速器和探测器技术方面最具挑战性的概念和技术问题，同时还将相互学习。从长远来看，通过这些合作，他们可以成为世界各国和文化之间和平与友谊的使者。他们开发的工具、技术和联系将在未来几十年造福于人类。