近日,美國國家科學院、工程院和醫療研究院公佈了一份報告,高調支持建造名為電子-離子對撞機(Electron-Ion Collider,EIC)的新型粒子加速器,這意味著粒子物理學的研究將提升到一個新高度。 

歐洲的大型強子對撞機(LHC)讓質子與質子以接近光速的速度對撞,與之不同的是,EIC是向質子或較重的離子噴射高能電子束。聖母大學核物理學家Ani Apra hamian解釋說,與LHC相比,EIC的粒子對撞產生的結果更無害、更容易解釋,能幫助科學家們進一步探索夸克和膠子在質子與原子核中的排列方式。 

擁有EIC 才能在核物理取得進展

對於質子、中子與原子的基本組成粒子,儘管科學家們已有所識別,但仍很難知曉它們的結構與排列,也就是說,其實我們並不知道質子或者原子核到底是甚麼樣的。 

麻省理工學院(MIT)的物理學家Richard Milner表示,EIC這種新型加速器將能回答三個主要問題。第一,質子的質量來自哪裏?質子由三個夸克組成,但為甚麼質子的質量是夸克質量的100倍?其次,科學家們希望能更好地理解角動量或者「自旋」的概念。第三,EIC或許能揭示將其它粒子捆綁在一起的膠子的工作方式。「物質中的膠子有點像宇宙中的暗物質:看不見但起著至關重要的作用,」Milner說:「電子-離子對撞機可能會揭示由於核子和原子核內的許多膠子緊密堆積而產生的新狀態。」 

目前有兩個國家實驗室在競爭成為EIC的主人:位於紐約長島布魯克海文國家實驗室以及位於維珍尼亞州紐波特紐斯的托馬斯傑斐遜國家加速器實驗室。EIC項目可能會升級前者的粒子對撞機或後者的電子束,並預計將花費至少10億美元。 不過,美國能源部目前正在籌集7.3億美元在密歇根州立大學建造稀有同位素束流裝置(FRIB),在2020年該裝置完成之前,似乎沒有能力再展開如此耗資巨大的項目。所以,EIC的正式啟動估計還要等幾年。 

該項目在全球並非首例。1992至2007年間,德國建造了類似的強子-電子環加速器(Hadron-Electron Ring Accelerator,HERA),因而發現了膠子。美國計劃建造的EIC將以較低能量運行,但是會有100至1,000的碰撞次數,產生的數據也將以幾何倍數增加。 

當美國核科學諮詢委員會(NSAC)在2015年公開支持EIC的建造時,伊利諾伊州阿貢國家實驗室的核物理學家Donald Geesaman及NSAC主席就強調了EIC對科學研究的重要性並聲稱:「只有當擁有EIC以後,我們才能在核物理的巨大領域中取得進展。」◇