强大的粒子对撞机提案获得了美国国家科学院的认可

在电子对撞机中，一束电子（e-）会从质子或原子核束中散射出来，产生虚拟λ光子（）-穿透质子或原子核以弄清楚夸克和夸克结构的光粒子。内胶。图像：布鲁克黑文国家实验室

在美国建造雄心勃勃的新型粒子加速器的案例刚刚获得了极大的推动。

如今，美国国家科学，工程和医学研究院已经批准了电子离子对撞机（EIC）的开发。拟议中的设施由两个相交的加速器组成，它将以几乎光速传播的质子束和电子束粉碎在一起。每次碰撞后，科学家应该看到粒子内部结构的“快照”，就像对原子的CT扫描一样。科学家们希望从这些图像中以前所未有的深度和清晰度，将夸克和胶子结合在一起，将质子和宇宙中所有可见物质结合在一起，形成多维图像。

如果建立了EIC，它将极大地推动量子色动力学的研究，它试图回答物理学中的基本问题，例如夸克和胶子如何产生强大的力-将所有物质结合在一起的“胶”。如果建造的话，EIC将成为美国最大的加速器设施，在全球范围内仅次于CERN的大型强子对撞机。包括MIT物理学教授Richard Milner在内的MIT物理学家从一开始就参与EIC的论证工作。

麻省理工新闻社向核科学实验室成员米尔纳（Milner）核对了对新型粒子对撞机的需求及其前景。

问：告诉我们有关此设计的历史。为此新型粒子加速器采取了什么措施？

A：EIC的科学和技术案例的开发已经进行了大约二十年。麻省理工学院物理学教授Frank Wilczek等人在1970年代提出了量子色动力学（QCD），核物理学家们一直在努力弥合QCD和基于实验可观察到的粒子的成功核理论之间的鸿沟，其中基本成分是无法检测到的夸克和胶子。

高能对撞机具有高能使电子与整个原子核碰撞的能力以及使电子和核子极化的能力，被认为是构建该桥的必要工具。质子的高能电子散射是1960年代后期在SLAC上通过实验发现夸克的方式（麻省理工学院物理学系亨利·肯德尔和杰罗姆·弗里德曼及其同事），这是直接探究夸克和胶子的基本夸克和胶子结构的公认技术。事情。

EIC的重要初始动力来自印第安纳大学和麻省理工学院大学用户设施的核物理学家，以及美国和欧洲的实验室和大学中寻求了解质子自旋起源的物理学家。在2002年，2007年和2015年美国核物理学家进行的前三次远程规划活动中，EIC的情况已经成熟并得到加强。在2007年演习之后，美国的两个旗舰核设施，即布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机和杰斐逊实验室的连续电子束加速器设施，在协调整个美国QCD社区的EIC活动方面发挥了领导作用。这导致了2012年科学案例“电子离子对撞机”的简洁摘要的制作：QCD的下一个前沿领域（了解束缚我们所有人的胶水）。

在履行目前的承诺后，2015年计划工作将EIC确立为美国核物理新设施建设的最高优先事项。这导致美国国家科学院（NAS）成立了一个委员会，以评估EIC科学案例。NAS委员会审议了大约一年，该报告已于本月公开发布。

问：让我们了解一下这种新对撞机将有多强大，以及它将产生什么样的新交互。什么样的现象将有助于解释？

A：EIC将是功能强大且独特的新型加速器，它将为了解物质的基本结构提供前所未有的窗口。EIC上的电子-离子碰撞速率将很高，比1992年至2007年在德国汉堡的DESY实验室运行的唯一以前的电子-质子对撞机HERA可能发生的碰撞高两个数量级。 。借助EIC，物理学家将能够以空前的空间分辨率和快门速度成像构成质子，中子和原子核的虚拟夸克和胶子。一个目标是提供人类可以广泛理解的微观世界基本结构的图像：回答诸如质子是什么样的问题？原子核是什么样的？

电子离子对撞机可以解决三个中心科学问题。第一个目标是详细了解QCD中产生质子和中子的质量以及宇宙中所有可见物质的质量的机制。问题在于胶子没有质量，而夸克几乎没有质量，而包含胶子的质子和中子却很重，构成了宇宙大部分可见质量。一个核子的总质量比它所包含的各种夸克的质量大100倍左右。

第二个问题是了解核子的固有角动量或自旋的起源，这是许多实际应用（包括磁共振成像（MRI））的基础属性。内部夸克和胶子的内在和轨道角动量如何引起已知的核子自旋尚不清楚。第三，胶子在物质中的性质，即它们的排列或状态，以及它们如何将物质结合在一起的细节，尚不为人所知。物质中的胶子有点像宇宙中的暗物质：看不见，但起着至关重要的作用。电子离子对撞机可能会揭示出由于核子和核内许多胶子的紧密堆积而产生的新状态。这些问题对于我们了解宇宙中的事物至关重要。

问：麻省理工学院将在这个项目中扮演什么角色？

A：目前，核科学实验室的十几个麻省理工学院物理系教授牵头研究小组，它们直接致力于理解QCD所描述的物质的基本结构。它是美国最大的以大学为基地的小组，致力于QCD。理论研究集中在理论物理中心，而实验主义者则严重依赖于贝茨研究与工程中心的技术支持。

麻省理工学院的理论家们正在使用世界上最强大的计算机来进行重要的计算，以了解QCD的基本方面。麻省理工学院的实验物理学家正在BNL，CERN和Jefferson实验室等现有设施中进行实验，以期获得新的见解并开发将在EIC中使用的新技术。此外，麻省理工学院的科学家和工程师正在研发新的极化光源，探测器和创新的数据采集方案。可以预期，随着EIC方法的实现，这些努力将会加大。

预计美国能源部科学办公室将在不久的将来启动EIC的正式程序，美国政府将通过该程序批准，资助和建设新的大型科学设施。关键问题是EIC网站的选择和国际用户的参与。一个EIC用户组已经形成，来自全球160多个实验室和大学的700多名博士科学家参加了会议。如果实现EIC的时间表与过去的大型设施的时间表相当，那么它应该在2030年左右开始进行科学研究。麻省理工学院（MIT）在美国核物理领域发挥领导作用的历史由来已久，并且在我们迈向EIC的道路上将继续发挥重要作用。