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撰文 | 邸利会（知识分子主笔）
责编 | 陈晓雪
我们知道，原子由原子核和电子组成，而原子核一般由质子和中子组成。质子由更小的夸克和胶子构成，胶子像胶水一样把夸克绑在一起。
令人惊奇的是，夸克只占了质子和中子质量的很小部分，胶子可能占了宇宙可见物质质量的90％以上，这是为什么？此外，对于夸克和胶子是怎么互相组织的，我们也知之甚少。
如今，有望解决这些疑问的利器即将诞生。
1月9日，美国能源部宣布：将在纽约州阿普顿的布鲁克海文国家实验室，建造一座电子离子对撞机（The Electron-Ion Collider, EIC）。
这一大科学装置的设计和建造将用时10年，花费预计在16亿至26亿美元，由美国国会每年拨款。
EIC会用电子轰击质子和更重的原子核，其高光度和高偏振光束将推动粒子加速器 科技 的前沿，加深对原子核基础构件和它们之间作用的理解。
美国能源部部长 Dan Brouillette 表示， EIC将确保美国处于高能物理以及加速器技术的前沿，总体上展现美国科学的领导力。他说，“美国正处于创新的黄金时代，我们期待与EIC相伴迈向下一步。EIC不仅将确保美国在核物理领域的领导地位，而且为 EIC所开发的技术还将支持潜在的巨大突破，影响人类 健康 、国家竞争力和国家安全。”
EIC的设计和建造是由美国国家科学院的国家研究委员会提议的，并得到了美国联邦核科学咨询委员会的认可。
美国能源部科学部主任 Chris Fall 博士认为，能源部很高兴EIC能在布鲁克海文国家实验室落地，但要取得成功还有赖于能源部实验室系统其他部门的参与。
美国能源部披露，弗吉尼亚州纽波特纽斯（Newport News）的托马斯·杰斐逊（Thomas Jefferson）国家加速器设施将是EIC的主要合作伙伴，而其他几个实验室也有望为EIC的建设和核物理研究计划的实施做出贡献。
美国能源部表示，EIC将改变国际核物理界的 游戏 规则，并期待与国际合作伙伴为EIC做出怎样的贡献进行对话。
上海李政道研究所学者季向东，在1995年就提出了质子质量的问题(Phys.Rev.Lett. 74 (1995) 1071)，十几年来，他参与了EIC的提出和论证，本刊就该项目的相关问题以及美国高能物理的发展对他做了访谈。
INTERVIEW
《知识分子》： 请先简要介绍下电子离子对撞机项目的总体情况？
季向东： 这个项目其实已经推动有十几年了，我一直参与科学讨论，包括一开始提出的建议，美国核科学委员会的规划，到美国科学院的论证，到最后的科学院报告的最终通过。
它的形成跟美国物理的走向，将来的大科学装置的规划非常有关系。美国核物理每年的投资大概是六、七个亿美元。美国能源部与核科学相关的有三个大的科学装置，一个在托马斯·杰斐逊实验室，还有一个是在美国密歇根州立大学，第三个就是在长岛的布鲁克海文国家实验室。
下一步要建造的这个对撞机，主要是用来进行电子和质子，以及重离子的碰撞，研究质子和原子核的内部的胶子和夸克的结构，特别是了解质子、中子的质量是怎么起源的？（物质的质量主要来自它们）自旋是怎么形成的？（医疗上的磁共振利用的就是质子的自旋）
我们知道原子核和质子、中子的质量主要是夸克和胶子有强相互作用而引起，这只是个大致的图像，但是其中细节、具体是怎么发生的，是怎样的一个物理过程能产生质量，我们还不是很清楚。
实际上这些问题陆陆续续也研究了半个世纪了，但是还没有一个最合适的大科学装置，专门来做这些方面的研究。
《知识分子》： 这个项目的优势在哪？
季向东： 首先它是一个对撞机，而不是一个固定靶子的实验装置（把质子或者电子用加速器加到很高的能量，然后用这些高能粒子去打靶，撞击靶子里的夸克，叫固定靶实验；让两束高能粒子迎头对撞，叫对撞机实验）。
两个的区别就在于对撞机的能量要比固定靶实验的能量要高很多，可以看到质子内部的胶子。胶子因为不带电，通过它们非常高能的量子涨落才能看到，这是选择对撞机的原因。
但对撞机有一个非常重要的难题，就是高亮度很难做到。比如德国HERA对撞机的亮度，只有10的31次方。现在要造的对撞机要比过去的亮度高100到1000倍，在加速器技术上还是存在非常大的挑战。像这样一个加速器，从能量上来讲不是最高的，但是从亮度上来讲在这个能区是最高的（在对撞机实验里面，不但两个束流的粒子个数要多，还得让它们聚焦在尽量小的横截面积内对撞，也就是说需要束流有尽量高的亮度）。
《知识分子》： 建这么大的装置，有20多亿美元的投入，研究一个很基础的问题？
季向东： 美国对基础科研是非常的重视，因为这样的研究在实际生活中基本上没啥用。除了一些加速器以及相关技术以外，科学上得到的成果，在短期内也许是毫无用处。但是花那么多钱去造这么一个对撞机，就说明对基础科学研究的一个重视的程度。
《知识分子》： 项目也提到对于加速器技术和部件，芯片制造测试、癌症治疗、药物医疗等潜在好处也罗列了一些。你觉得对于推动这些领域有作用吗？还是只是一些宣传？
季向东： 我认为两者都有。我觉得这些用处也许并不完全需要这样的一个投入来去发展，会是一个间接的推动。但另一方面就是会培养大量的人才，很多搞基础研究的人会流向，比如说国防、医疗、还有一些高技术领域。
所以，可以看到有时候研究投入不是那种直接目标的，而是通过这么一个前沿的科学项目培养出好多人才，我觉得这方面还是值得学习的。
《知识分子》： 整个过程你提到，从最初提出想法，到现在经历了十几年，这是个正常的时间花费么？
季向东： 这是一个正常的。其实， 科技 部门的一个中心曾经要我去讲过这个大科学项目，我也专门做了一些准备去讲。当时讲完了以后，我曾想把这个参与的经历写成一个介绍，对我们的科学决策也是一个重要的参考。
《知识分子》： 最后确定建在布鲁克海文实验室，之前有没有其他实验室竞争？
季向东： 杰斐逊实验室一直是一个竞争的单位，实际上竞争过程已经持续了四五年，两家都出了自己的方案，也都有他们的加速器团队、实验团队各自为自己的设计提出理由，当然两家也各有所长，方案也非常不一样。最后选了布鲁克海文的话，我个人觉得还是一个非常好的选择，因为它在 历史 上出了好几个诺奖，而且他们在项目管理和科学水平上还是有一定的优势。
但从另外一个角度讲，杰斐逊实验室也有他们优势，因为它对质子结构研究非常熟悉，相关的物理一直是世界领先的，而对于布鲁克海文则是一个新的项目。此外，杰斐逊实验室是南方唯一的实验室，所以整体上，它还是有一定的竞争力的。最后他们选择了布鲁克海文，从科学上我觉得是一个非常好的选择。
《知识分子》： 能源部报道有一句话说，EIC将改变国际核物理界的 游戏 规则，这个如何理解，是夸大的一个说法吗？
季向东： 我觉得美国的选择还是具有一定的前瞻性。国际上比如说像中国也在考虑电子离子对撞机（EicC），欧洲借助于他们的大强子对撞机也曾经考虑要往这个方向走。但是美国的考虑可能更成熟，因为美国在这方面已经考虑了十几年了，而且人才队伍还是比较大的。
而且这个最后选择的方式，能区和亮度，都是比较优化的。它很可能在未来30年，在这个领域是领先的。所以，我觉得也不是一个吹牛的说法，是一个比较中肯的表述。
《知识分子》： 这个项目还需要美国能源部其他实验室的帮忙？
季向东： 这个比较容易理解，因为布鲁克海文的加速器技术还是不错的，但还有一些其他的技术它不见得是最好的，所以需要其他实验室研发的一些技术，像杰斐逊实验室的超导高频腔应该是世界上做的最好的，所以会利用他们的产品。它的探测器，很可能会用其他实验室来造。探测器本身也是一个很大的投入，很可能会有两个探测器。
所以，尽管大的机器会在这里造，但项目里头有很多部件，还是可能要其他实验室来承担，也许避免其他实验室关门，或者其他的研究队伍的流失。
《知识分子》： 能源部提到说也需要国际团队，这是不是一个必要的？
季向东： 国际合作方面可能不会是个关键因素，有几个原因：第一，我觉得美国能源部这个项目，它并没有要求需要一定有多少百分比的国际投入，这个项目才往前推动。即使其他国家不出钱，美国能源部也会推动。
第二，在现在的国际大环境之下，即使是基础研究，美国越来越不太愿意要别的国家参与，包括像外国人现在要到美国国家实验室去参加工作的话，越来越困难。所以我觉得大科学项目当然需要国际合作，但是现在，能起多少作用，或者它有多少期待，可能比较有限。
《知识分子》： 这样一个科学目标，国际上有其他的实验竞争吗？
季向东： 没有。有一些固定靶实验，原来在德国也有一些实验，但都不是那么太专门化的，不是为这种问题研制定做的实验装置，所以最后都比较模棱两可。我觉得像这些问题，来自国际方面的竞争应该不是太强。中国EICC现有的方案能区不一样，物理目标也不同。
《知识分子》： 质子里除了夸克，胶子质量占到90%，质子质量之谜这个问题很难解决？
季向东： 对于强相互作用，虽然我们有一个基本理论，叫量子色动力学，但这个理论太难了。我一直是研究量子色动力学理论的，其实研究质子质量的问题是我1995年提出来的。但是，到现在为止，我们并没有一个非常好的方式来解说强相互作用力是怎么工作的。
现在很多的工作都是用大型计算机来进行解决（叫格点规范理论或量子场论），这方面在美国也是有很多的发展。这些工作国内也有但相对比较少，我们需要推动在国内大型计算机模拟的工作。但是除了计算以外，还需要有实验数据来进行佐证，因为这个科学问题确实是比较难。
质子已经发现100年了，但其结构问题到现在为止还未解决。希望通过实验，能够提供更多的数据，来帮助我们理解究竟强相互作用是怎么创造出质子中子的。
《知识分子》： 这个对撞机的建造会持续多少年？
季向东： 今年能源部投资了1100万美元，做前期的工作准备，我想每年会不断的增加，是一个长期的过程。我估计它整个的建设也许要10年，首期工程投资大概需要5-8个亿。
《知识分子》： 它何时可以获得数据，应该是十几年以后的事了吧？
季向东： 我想应该要10年，到2030希望能够有实验数据。
1956年，诺贝尔奖得主、美国物理学家罗伯特·霍夫斯塔德（Robert Hofstadter）和他的团队在斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center）向一小瓶氢发射了高能量电子，从此开启了物理学的新时代。
在此之前，人们一直认为构成原子核的质子和中子是自然界中最基本的粒子。它们被认为是空间中的“点”，缺乏物理尺寸。现在突然明白了，这些粒子根本就不是基本的，也有大小和复杂的内部结构。
霍夫斯塔德和他的团队看到的是电子在撞击氢时“散射”或反弹的微小偏差。 这表明原子核有比他们想象的点状质子和中子更多的东西。
随后，在世界各地进行的加速器实验（将粒子推进到极高能量的机器），预示着我们对物质理解的范式转变。
然而，关于原子核，其实我们还有很多不了解的地方，包括将原子核维系在一起的四种基本自然力之一的“强力”。
现在，在来自世界各地的1300名科学家的帮助下，美国长岛布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）将在十年内建造一个全新的加速器，即 电子离子对撞机 ，可以有助于把我们对原子核的理解提升到一个新的水平。
上图：电子与带电原子的碰撞如何揭示其核结构。
强大而奇异的力量
在20世纪50年代的发现之后，人们很快就清楚了，夸克和胶子粒子是物质的基本构件。它们是强子的组成部分，强子是质子和其他粒子的统称。
有时人们会想象，这些粒子就像乐高积木一样，由一定形状的夸克组成质子，然后质子和中子耦合在一起形成一个原子核，而原子核则吸引电子来建造一个原子。但是夸克和胶子绝不是静态的积木。
一种被称为量子色动力学的理论描述了强作用力如何在夸克之间发挥作用，夸克是由胶子介导的，胶子是力的载体。然而， 它不能帮助我们解析地计算质子的性质。这不是我们的理论家或计算机的过错 —— 方程式本身就是不可解的。
这就是为什么质子和其他强子的实验研究如此关键：要了解质子和束缚它的力，必须从各个角度研究它。在这方面，加速器就是我们最强大的工具。
然而，当你用对撞机（一种使用两束光束的加速器）观察质子时，我们看到的是什么，取决于我们观察的深度和对象：有时它表现为三个组成夸克，有时表现为胶子的海洋，或大量夸克及其反粒子对的海洋（反粒子与粒子几乎相同，但具有相反的电荷或其他量子特性）。
因此，尽管我们在过去60年中对这一最小尺度的物质的理解取得了巨大进步，但仍有许多谜团是当今的工具无法完全解决的。夸克在强子内的约束的本质是什么？质子的质量是如何从轻了1000倍、几乎没有质量的夸克中产生的？
要回答这些问题，我们需要一种“显微镜”， 它可以通过最宽的放大范围，对质子和原子核的结构进行细致的成像，并构建它们的结构和动力学的3D图像。 这正是新的对撞机将要做的事情。
新实验装置
电子离子对撞机（EIC）将使用一束非常强的电子束作为它的探针，它将有可能切开质子或原子核，并观察其内部的结构。
它将通过将一束电子与一束质子或离子（带电原子）碰撞，来观察电子是如何散射的。 离子束是世界上第一个这样的离子束。
几乎无法察觉的效果，例如非常罕见的散射过程，您在十亿次碰撞中只能观察到一次，将变得可见。
通过研究这些过程，科学家将能够揭示质子和中子的结构，当它们被强力束缚时如何改变，以及如何产生新的强子。 我们还可以发现什么样的物质是由纯胶子组成的 —— 这是我们从未见过的东西。
上图：实验方案。
对撞机可以调节到很宽的能量范围：这就像转动显微镜上的放大刻度盘一样，能量越高，人们可以看到的质子或原子核内部越深，并且可以解析的特征越精细。
作为 EIC 团队的一部分，世界各地科学家新成立的合作机构也在设计探测器，这些探测器将放置在对撞机的两个不同碰撞点上。
这项工作的各个方面是由英国团队领导的，他们刚刚获得了一笔拨款，负责设计探测器的三个关键部件，并开发实现它们所需的技术：用于精确跟踪带电粒子的传感器，用于探测散射到束流线附近的电子的传感器，以及用于测量在碰撞中散射的粒子的极化（自旋方向）的探测器。
虽然，可能还需要10年时间才能完全设计和建造完成对撞机，但这绝对是非常值得的。
理解质子的结构，以及通过质子产生宇宙中99%以上可见质量的基本力，是当今物理学中最大的挑战之一。
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对撞机是一种粒子加速器。
粒子加速器这个东西，其实在我们每家每户的房间中都有，比如电视和电脑里面。电视和电脑屏幕中的阴性射线管就是一种粒子加速器，阴性射线管从阴极提取中电子，然后对电子加速并改变它们的方向，让电子撞击到屏幕，最终在显示器上产生亮点。
这样的原理，适用于各式各样的粒子加速器，包括人们所说的电子对撞机，简言之，粒子加速器的作用就是让不同粒子撞在一起。
后世的科学家在研究粒子时，大多也是遵循卢瑟福的路数，就是用粒子不断轰击，最终不断发现新粒子。不过，想把更深层次的粒子轰击开，就需要更高的速度、更高的能量，对撞机就由此而来，将两束粒子加速到很高的能量并使之相向碰撞。
对撞机对于人类发展的重要作用
作为粒子物理学最重要研究设施的对撞机，能够直接决定粒子物理学大多数研究方向的发展水平。而粒子物理学的研究，则会直接面对物质最基本的组成成分，以及物质间的最基本的相互作用这样的研究对象，进而探索质量起源、宇宙演化、暗物质等最深刻、最神秘的课题。
对物质的最基本的成分和相互作用的探索不仅仅可以满足人类的好奇心，也会为未来几十甚至上百年后的应用储备知识。在一个科学技术健康发展的社会，基础科学的研究水平应该是超越当前的时代的。也只有如此，能够影响人类生活的技术才能在有科学理论指导的情况下发展。
如果基础科学研究停滞，那么在一段时间之后，技术的发展也会因为缺乏科学依据而难以进步。也正是因为这样的逻辑，《三体》小说和电视剧才会有“三体人”利用干扰对撞机实验来“锁死”人类科技的情节。
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