美国对撞机正式开建 10年建造20多亿美元投入为了什么？
原标题：美国对撞机开建，破解质子质量之谜
撰文 | 邸利会（知识分子主笔）
责编 | 陈晓雪
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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。
EIC设计示意图，图源https://www.bnl.gov/eic/machine.php
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。
