据估计，可观测宇宙包含约 1053 公斤的普通物质，其中大部分以约 1080 个质子和中子的形式存在，它们与电子一起构成了原子的成分。但是，是什么赋予了质子和中子质量呢？
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（统称为“核子”）内部夸克的质量总和约占核子总质量的 2%。那么，其余的质量从何而来呢？
这并非这些基本原子组成部分的唯一谜团。核子的自旋同样令人费解——它们内部夸克的自旋无法解释核子的自旋。科学家现在认为，自旋、质量和其他核子特性源于夸克和胶子内部复杂的相互作用。但是，这种情况究竟如何发生尚不清楚。理论只能告诉科学家这么多，因为夸克和胶子的相互作用受量子色动力学 (QCD) 理论支配，而量子色动力学极其难以计算。
支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
为了向前迈进，我们需要新的实验数据。这就是电子-离子对撞机 (EIC) 的用武之地。与其他原子对撞机（例如日内瓦附近的欧洲核子研究中心 (CERN) 的大型强子对撞机或美国的相对论重离子对撞机 (RHIC)，它们碰撞诸如质子和离子之类的复合粒子）不同，EIC 将使质子和中子与电子碰撞。后者没有内部结构，成为观察复合粒子内部的一种显微镜。
EIC 是美国核科学界的最优先事项之一，最有可能在美国两个物理实验室之一建造——长岛的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，该对撞机可能在 2030 年左右开始收集数据。该机器将能够观察夸克和胶子的个体自旋和质量，以及它们集体运动的能量如何结合起来产生质子和中子的自旋和质量。它还应该回答其他问题，例如夸克和胶子是聚集在一起还是分散在核子内部，它们移动的速度有多快，以及这些相互作用在将核子结合在一起形成原子核方面起什么作用。EIC 的测量将提供大量关于物质的基本成分如何相互作用以形成可见宇宙的新信息。在夸克被发现五十年后，我们终于站在解开其谜团的门槛上。
涌现现象
科学家们非常清楚物体是如何由原子构成的，以及这些物体的特性是如何从其内部原子的特性中产生的。事实上，我们现代生活的大部分都依赖于我们对原子、电子和电磁学的了解——正是这些知识使我们的汽车能够行驶，使我们的智能手机能够工作。那么，为什么我们不了解核子是如何由夸克和胶子构成的呢？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，核子的特性源于夸克和胶子的集体行为。事实上，它们是涌现现象，是许多复杂参与者的结果，这些参与者的相互作用过于复杂，以至于我们目前无法完全理解。
量子色动力学是支配这些相互作用的理论，它是在 20 世纪 60 年代末和 70 年代初发展起来的。它是粒子物理学总括理论“标准模型”的一部分，该模型描述了宇宙中已知的力（引力除外）。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（将核子结合在一起的力）由胶子携带。“电荷”参与强力被称为“颜色”（因此称为“色动力学”）。夸克携带色荷，并通过交换胶子相互作用。但是，与电磁学中光子本身没有电荷不同，胶子携带颜色。因此，胶子通过交换更多胶子与其他胶子相互作用。这种复杂性具有深远的影响。相互作用的反馈回路是 QCD 通常过于复杂而无法计算的原因。
蓝色偶极磁体有助于引导电子束在 CEBAF 环路周围加速。图片来源：Floto + Warner
QCD 也不同于更熟悉的理论，因为强力随着夸克彼此靠近而减弱。（在电磁学中，情况恰恰相反，随着带电粒子彼此远离，力会减弱。）在核子内部足够短的距离处，夸克感觉到的力非常小，以至于它们的行为就像是自由的一样。戴维·格罗斯、H·戴维·波利策和弗兰克·维尔切克因发现 QCD 的这种奇怪结果而获得了 2004 年诺贝尔物理学奖。当夸克彼此远离时，它们之间的力迅速增长，变得非常强大，以至于夸克最终被“限制”在核子内——这就是为什么你永远不会在质子或中子外部单独找到夸克或胶子的原因。只要夸克彼此靠近并相互作用较弱，科学家就可以计算 QCD 相互作用；但是，当它们相距较远时（在接近质子半径的距离处），力变得太强，理论变得太复杂而无法使用。
为了进一步理解强力的量子领域，我们需要更多信息。例如，我们对原子领域的掌握不仅来自我们对原子及其相互作用的理解，还来自我们对建立在这些基本构建块之上的涌现现象的掌握。从我们对分子生物学基础——原子和电磁学的了解来构建分子生物学是不可能的。尤里卡时刻出现在研究人员发现 DNA 的双螺旋结构时。我们要在夸克-胶子世界中取得进展，就需要观察原子核内部。
“看到”原子
在 20 世纪初期，物理学家发现如何通过一种称为 X 射线衍射的过程“看到”原子。通过将 X 射线束照射到样品上，并研究当它们穿过材料时产生的干涉图案，科学家们可以看到其原子晶体结构。这项技术有效的原因是 X 射线的波长与原子的大小相似，这使我们能够探测纳米（10-9 米）的原子距离尺度。同样，物理学家在 50 年前首次在一次电子和质子碰撞的实验中“看到”了夸克，这个过程称为深度非弹性散射 (DIS)。
在这种方法中，电子从质子（或中子或原子核）反弹，并与之交换一个虚光子。虚光子并不完全真实——它作为量子力学（支配粒子相互作用）的结果快速出现和消失。通过仔细测量电子反冲的能量和角度，我们可以获得有关它撞击了什么的信息。
图片来源：Ben Gilliland
DIS 实验中虚光子的波长约为飞米（10-15 米）——质子直径的距离尺度。碰撞的能量越高，虚光子的波长越小，波长越小，探针就越精确和局部化。如果它足够小，电子本质上会从质子内部的夸克之一（而不是整个质子本身）反弹，从而窥探粒子的内部结构。
第一个 DIS 实验是当时称为斯坦福直线加速器中心 (SLAC) 的设施的 SLAC-M.I.T. 项目。它在 1968 年提供了夸克的第一个证据——这一发现为该实验的领导者赢得了 1990 年诺贝尔物理学奖。类似的实验发现，自由质子和中子内部的夸克与原子核内部的夸克的行为截然不同。此外，他们发现质子和中子的自旋并非来自组成夸克的自旋，正如科学家们所预期的那样。这一发现最初是在质子中做出的，最初被称为“质子自旋危机”。第一个 DIS 对撞机（其中电子和质子在碰撞前都被加速）是德国电子同步加速器 (DESY) 研究中心在德国汉堡的强子-电子环形加速器 (HERA)，该加速器从 1992 年运行到 2007 年。HERA 实验表明，我们认为的每个质子和中子内部三个夸克的简单构型实际上可能变成一个粒子汤，其中许多夸克和胶子瞬间出现和消失。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需的原子核束。
使这种尺度上的所有观测复杂化的一个主要因素是量子力学的怪异性。这些规则将亚原子粒子描述为概率的雾霾：它们并非在特定时间和特定地点以特定状态存在。相反，我们必须将夸克视为同时存在于无限数量的量子构型中。此外，我们必须考虑量子力学纠缠现象，其中两个粒子可以变得连接起来，以至于即使它们分离后，它们的命运也会相互交织。纠缠可能会对核尺度上的观测构成根本问题，因为我们希望观测的夸克和胶子有可能与我们用来观察它们的任何探针（在 DIS 的情况下为虚光子）发生纠缠。当我们发现的内容取决于我们如何探测它时，似乎不可能定义我们所说的核子结构是什么。
幸运的是，到 20 世纪 70 年代，QCD 已经发展到足以让科学家们弄清楚 DIS 实验中的探针和目标可以分离——这种情况称为因子分解。在足够高的能量下，科学家们基本上可以在某些情况下忽略量子纠缠的影响——足以在一维中描述质子的结构。这意味着他们可以从 DIS 实验中提取测量结果，即质子内部任何给定夸克贡献其前向动量特定份额的概率。
最近，理论上的进步使我们能够进一步推进，并在多个维度上描述核子的内部结构——不仅包括夸克和胶子对核子的前向动量的贡献量，还包括它们在核子内部左右移动的量。
但真正的进步将来自 EIC。
重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。图片来源：布鲁克海文国家实验室
电子-离子对撞机
EIC 将制作核子内部的三维地图。我们期望该对撞机能够测量夸克和胶子的位置和动量，以及每个夸克和胶子对核子整体质量和自旋的贡献量。
与之前的 DIS 实验相比，EIC 的关键进步在于其亮度：例如，它每分钟产生的碰撞次数将比 HERA 多 100 到 1,000 倍。此外，EIC 中碰撞束的高能量将解析质子直径的百分之几的距离，使我们能够研究大量夸克和胶子各自携带质子前向动量的约 0.01% 的区域。EIC 还将使我们能够控制其束中粒子自旋的对齐方式，以便我们可以研究质子的自旋如何从夸克和胶子的 QCD 相互作用中产生。当结合到我们现代的理论框架中时，EIC 的测量将使我们能够创建质子在夸克和胶子方面的真正 3-D 图像。
我们有许多问题希望探索：例如，质子的组成部分是否均匀分布在质子内部，还是它们聚集在一起？是否有些组成部分比其他组成部分对粒子的质量和自旋贡献更大？夸克和胶子在将质子和中子结合在一起形成原子核方面起什么作用？这些难题才刚刚开始在飞米尺度上的现有设施中进行探索。EIC 是第一台将引导我们找到完整答案的机器。
在我们对核子结构的理解中，最大的未知数之一是当我们使用极其精细的探针在非常小的尺度上观察这些粒子时会发生什么。在这里，奇怪的事情开始发生。QCD 预测，当您以越来越高的能量探测时，您会发现越来越多的胶子。夸克可以辐射胶子，而这些胶子又可以辐射更多的胶子，从而产生连锁反应。奇怪的是，导致这种胶子辐射的不是测量行为，而是量子力学的怪异性告诉我们质子的内部是不同的——胶子数量更多——您看得越近。
然而，我们知道这不可能是整个解决方案，因为那将意味着物质在无限增长——换句话说，原子会拥有无限数量的胶子，你越靠近看它们。以前的对撞机，包括 HERA，已经看到了“饱和”状态的暗示，在这种状态下，质子根本无法容纳更多的胶子，一些胶子开始重组，抵消了增长。物理学家从未明确检测到饱和，我们也不知道饱和发生的阈值。一些计算表明，胶子饱和形成了一种新型物质状态：一种具有非凡特性的“彩色玻璃凝聚体”。例如，胶子的能量密度可能达到中子星内部能量密度的 50 到 100 倍。为了达到尽可能高的胶子密度区域，EIC 将使用重原子核而不是质子来检测这种引人入胜的现象并对其进行详细研究。
建造 EIC
新对撞机的计划得到了美国核科学界最近一次（2015 年）长期规划会议以及美国能源部的强烈认可，美国能源部于 2017 年要求美国国家科学、工程和医学院 (NAS) 对 EIC 进行独立评估。2018 年 7 月，NAS 委员会发现 EIC 的科学案例具有基础性、令人信服性和及时性。
建造这台机器有两条可能的途径。一种是升级布鲁克海文的 RHIC。该计划被称为 eRHIC，将在现有 RHIC 加速器隧道内增加一个电子束，并使其在两个不同的点与 RHIC 的离子束之一碰撞。
另一种可能性是使用杰斐逊实验室连续电子束加速器设施 (CEBAF) 的电子束。在称为杰斐逊实验室 EIC (JLEIC) 的设计下，CEBAF 束将被引导到一个将在隔壁建造的新对撞机隧道中。
这些设施中的任何一个都将使我们对 QCD 的理解向前迈出一大步，并最终实现核子和原子核内部的可视化。任何一个都应该使我们能够解决迄今为止一直困扰我们的自旋、质量和核子的其他特性问题。任何一个都将有能力碰撞多种原子核，包括重金、铅和铀，这将使我们能够研究当夸克和胶子的核子成为较大原子核的一部分时，它们的扩散如何变化。例如，我们想知道是否有些胶子开始重叠并被两个不同的质子“共享”。
飞米技术？
在 21 世纪，原子的大小本身就是我们技术中的限制因素。在没有重大突破的情况下，10 纳米（约 100 个原子宽）的长度可能是电子部件能达到的最小尺寸，这表明传统计算能力在未来不太可能以超过 50 年的速度发展。
然而，核子及其内部结构存在于小一百万倍的尺度上。支配这个领域的强力大约比驱动当前电子设备的电磁力强 100 倍——事实上，它是宇宙中最强大的力。是否有可能创造出通过操纵夸克和胶子来工作的“飞米技术”？通过某种衡量标准，这种技术将比当前的纳米技术强大一百万倍。当然，这个梦想是对遥远未来的猜测。但是，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 是世界上正在考虑的唯一可以提供理解 QCD 所需数据的实验设施。然而，建造 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且高度聚焦的电子束、质子束和其他原子核束，以产生比 HERA 对撞机多 100 到 1,000 倍的每分钟事件数。自旋研究要求该机器提供自旋最大程度对齐且可以控制和操纵的粒子束。这些挑战将需要创新，这些创新有望改变加速器科学，不仅造福于核物理学，而且也造福于未来研究医学、材料科学和基本粒子物理学的加速器。
*编者注（2019 年 5 月 23 日）：这句话在发布后经过编辑。它最初说核子比质子小至少 10,000 倍。