責編 | 陳曉雪

我們知道，原子由原子核和電子組成，而原子核一般由質子和中子組成。質子由更小的夸克和膠子構成，膠子像膠水一樣把夸克綁在一起。

令人驚奇的是，夸克只佔了質子和中子品質的很小部分，膠子可能佔了宇宙可見物質品質的90％以上，這是為什麼？此外，對於夸克和膠子是怎麼互相組織的，我們也知之甚少。

現在，有望解決這些疑問的利器即將誕生。

1月9日，美國能源部宣佈：將在紐約州阿普頓的布魯克海文國家實驗室，建造一座電子離子對撞機（The Electron-Ion Collider, EIC）。

這一大科學裝置的設計和建造將用時10年，花費預計在16億至26億美元，由美國國會每年撥款。

EIC會用電子轟擊質子和更重的原子核，其高光度和高偏振光束將推動粒子加速器科技的前沿，加深對原子核基礎構件和它們之間作用的理解。

美國能源部部長 Dan Brouillette 表示， EIC將確保美國處於高能物理以及加速器技術的前沿，總體上展現美國科學的領導力。他說，“美國正處於創新的黃金時代，我們期待與EIC相伴邁向下一步。EIC不僅將確保美國在核物理領域的領導地位，而且為 EIC所開發的技術還將支援潛在的巨大突破，影響人類健康、國家競爭力和國家安全。”

EIC的設計和建造是由美國國家科學院的國家研究委員會提議的，並得到了美國聯邦核科學諮詢委員會的認可。

美國能源部科學部主任 Chris Fall 博士認為，能源部很高興EIC能在布魯克海文國家實驗室落地，但要取得成功還有賴於能源部實驗室系統其他部門的參與。

美國能源部披露，弗吉尼亞州紐波特紐斯（Newport News）的托馬斯·傑斐遜（Thomas Jefferson）國家加速器設施將是EIC的主要合作伙伴，而其他幾個實驗室也有望為EIC的建設和核物理研究計劃的實施做出貢獻。

美國能源部表示，EIC將改變國際核物理界的遊戲規則，並期待與國際合作夥伴為EIC做出怎樣的貢獻進行對話。

上海李政道研究所學者季向東，在1995年就提出了質子品質的問題(Phys.Rev.Lett. 74 (1995) 1071)，十幾年來，他參與了EIC的提出和論證，本刊就該專案的相關問題以及美國高能物理的發展對他做了訪談。

EIC設計示意圖，圖源http://127.0.0.1/vhost/conf/img_echo.php?w=640&h=757&src=https://www.bnl.gov/eic/machine.php

INTERVIEW

季向東：這個專案其實已經推動有十幾年了，我一直參與科學討論，包括一開始提出的建議，美國核科學委員會的規劃，到美國科學院的論證，到最後的科學院報告的最終通過。

它的形成跟美國物理的走向，將來的大科學裝置的規劃非常有關係。美國核物理每年的投資大概是六、七個億美元。美國能源部與核科學相關的有三個大的科學裝置，一個在托馬斯·傑斐遜實驗室，還有一個是在美國密歇根州立大學，第三個就是在長島的布魯克海文國家實驗室。

下一步要建造的這個對撞機，主要是用來進行電子和質子，以及重離子的碰撞，研究質子和原子核的內部的膠子和夸克的結構，特別是了解質子、中子的品質是怎麼起源的？（物質的品質主要來自它們）自旋是怎麼形成的？（醫療上的磁共振利用的就是質子的自旋）

我們知道原子核和質子、中子的品質主要是夸克和膠子有強相互作用而引起，這只是個大致的影象，但是其中細節、具體是怎麼發生的，是怎樣的一個物理過程能產生品質，我們還不是很清楚。

實際上這些問題陸陸續續也研究了半個世紀了，但是還沒有一個最合適的大科學裝置，專門來做這些方面的研究。

季向東：首先它是一個對撞機，而不是一個固定靶子的實驗裝置（把質子或者電子用加速器加到很高的能量，然後用這些高能粒子去打靶，撞擊靶子裡的夸克，叫固定靶實驗；讓兩束高能粒子迎頭對撞，叫對撞機實驗）。

兩個的區別就在於對撞機的能量要比固定靶實驗的能量要高很多，可以看到質子內部的膠子。膠子因為不帶電，通過它們非常高能的量子漲落才能看到，這是選擇對撞機的原因。

但對撞機有一個非常重要的難題，就是高亮度很難做到。比如德國HERA對撞機的亮度，只有10的31次方。現在要造的對撞機要比過去的亮度高100到1000倍，在加速器技術上還是存在非常大的挑戰。像這樣一個加速器，從能量上來講不是最高的，但是從亮度上來講在這個能區是最高的（在對撞機實驗裡面，不但兩個束流的粒子個數要多，還得讓它們聚焦在儘量小的橫截面積內對撞，也就是說需要束流有儘量高的亮度）。

季向東：美國對基礎科研是非常的重視，因為這樣的研究在實際生活中基本上沒啥用。除了一些加速器以及相關技術以外，科學上得到的成果，在短期內也許是毫無用處。但是花那麼多錢去造這麼一個對撞機，就說明對基礎科學研究的一個重視的程度。

季向東：我認為兩者都有。我覺得這些用處也許並不完全需要這樣的一個投入來去發展，會是一個間接的推動。但另一方面就是會培養大量的人才，很多搞基礎研究的人會流向，比如說國防、醫療、還有一些高技術領域。

所以，可以看到有時候研究投入不是那種直接目標的，而是通過這麼一個前沿的科學專案培養出好多人才，我覺得這方面還是值得學習的。

季向東：這是一個正常的。其實，科技部門的一箇中心曾經要我去講過這個大科學專案，我也專門做了一些準備去講。當時講完了以後，我曾想把這個參與的經歷寫成一個介紹，對我們的科學決策也是一個重要的參考。

季向東：傑斐遜實驗室一直是一個競爭的單位，實際上競爭過程已經持續了四五年，兩家都出了自己的方案，也都有他們的加速器團隊、實驗團隊各自為自己的設計提出理由，當然兩家也各有所長，方案也非常不一樣。最後選了布魯克海文的話，我個人覺得還是一個非常好的選擇，因為它在歷史上出了好幾個諾獎，而且他們在專案管理和科學水平上還是有一定的優勢。

但從另外一個角度講，傑斐遜實驗室也有他們優勢，因為它對質子結構研究非常熟悉，相關的物理一直是世界領先的，而對於布魯克海文則是一個新的專案。此外，傑斐遜實驗室是南方唯一的實驗室，所以整體上，它還是有一定的競爭力的。最後他們選擇了布魯克海文，從科學上我覺得是一個非常好的選擇。

季向東：我覺得美國的選擇還是具有一定的前瞻性。國際上比如說像中國也在考慮電子離子對撞機（EicC），歐洲藉助於他們的大強子對撞機也曾經考慮要往這個方向走。但是美國的考慮可能更成熟，因為美國在這方面已經考慮了十幾年了，而且人才隊伍還是比較大的。

而且這個最後選擇的方式，能區和亮度，都是比較優化的。它很可能在未來30年，在這個領域是領先的。所以，我覺得也不是一個吹牛的說法，是一個比較中肯的表述。

季向東：這個比較容易理解，因為布魯克海文的加速器技術還是不錯的，但還有一些其他的技術它不見得是最好的，所以需要其他實驗室研發的一些技術，像傑斐遜實驗室的超導高頻腔應該是世界上做的最好的，所以會利用他們的產品。它的探測器，很可能會用其他實驗室來造。探測器本身也是一個很大的投入，很可能會有兩個探測器。

所以，儘管大的機器會在這裡造，但專案裡頭有很多部件，還是可能要其他實驗室來承擔，也許避免其他實驗室關門，或者其他的研究隊伍的流失。

季向東：國際合作方面可能不會是個關鍵因素，有幾個原因：第一，我覺得美國能源部這個專案，它並沒有要求需要一定有多少百分比的國際投入，這個專案才往前推動。即使其他國家不出錢，美國能源部也會推動。

第二，在現在的國際大環境之下，即使是基礎研究，美國越來越不太願意要別的國家參與，包括像外國人現在要到美國國家實驗室去參加工作的話，越來越困難。所以我覺得大科學專案當然需要國際合作，但是現在，能起多少作用，或者它有多少期待，可能比較有限。

季向東：沒有。有一些固定靶實驗，原來在德國也有一些實驗，但都不是那麼太專門化的，不是為這種問題研製定做的實驗裝置，所以最後都比較模稜兩可。我覺得像這些問題，來自國際方面的競爭應該不是太強。中國EICC現有的方案能區不一樣，物理目標也不同。

季向東：對於強相互作用，雖然我們有一個基本理論，叫量子色動力學，但這個理論太難了。我一直是研究量子色動力學理論的，其實研究質子品質的問題是我1995年提出來的。但是，到現在為止，我們並沒有一個非常好的方式來解說強相互作用力是怎麼工作的。

現在很多的工作都是用大型計算機來進行解決（叫格點規範理論或量子場論），這方面在美國也是有很多的發展。這些工作國內也有但相對比較少，我們需要推動在國內大型計算機模擬的工作。但是除了計算以外，還需要有實驗資料來進行佐證，因為這個科學問題確實是比較難。

質子已經發現100年了，但其結構問題到現在為止還未解決。希望通過實驗，能夠提供更多的資料，來幫助我們理解究竟強相互作用是怎麼創造出質子中子的。

季向東：今年能源部投資了1100萬美元，做前期的工作準備，我想每年會不斷的增加，是一個長期的過程。我估計它整個的建設也許要10年，首期工程投資大概需要5-8個億。