美國對撞機正式開建 10年建造20多億美元投入為了什么?
科技

美國對撞機正式開建 10年建造20多億美元投入為了什么?

2020年01月18日 09:47:36
來源:知識分子

原標題:美國對撞機開建,破解質子質量之謎

撰文 | 邸利會(知識分子主筆)

責編 | 陳曉雪

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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,夸克只占了質子和中子質量的很小部分,膠子可能占了宇宙可見物質質量的90%以上,這是為什么?此外,對于夸克和膠子是怎么互相組織的,我們也知之甚少。

如今,有望解決這些疑問的利器即將誕生。

1月9日,美國能源部宣布: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將確保美國處于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,“美國正處于創新的黃金時代,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持潛在的巨大突破,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,并得到了美國聯邦核科學咨詢委員會的認可。

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于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·杰斐遜 (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游戲規則,并期待與國際合作伙伴為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年就提出了質子質量的問題 (Phys.Rev.Lett. 74 (1995) 1071),十幾年來,他參與了EIC的提出和論證,本刊就該項目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https://www.bnl.gov/eic/machine.php

INTERVIEW

《知識分子》:請先簡要介紹下電子離子對撞機項目的總體情況?

季向東:

這個項目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,到最后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系。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·杰斐遜實驗室,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、中子的質量是怎么起源的? (物質的質量主要來自它們)自旋是怎么形成的? (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、中子的質量主要是夸克和膠子有強相互作用而引起,這只是個大致的圖像,但是其中細節、具體是怎么發生的,是怎樣的一個物理過程能產生質量,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。

《知識分子》:這個項目的優勢在哪?

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,然后用這些高能粒子去打靶,撞擊靶子里的夸克,叫固定靶實驗; 讓兩束高能粒子迎頭對撞,叫對撞機實驗)。

兩個的區別就在于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 (在對撞機實驗里面,不但兩個束流的粒子個數要多,還得讓它們聚焦在盡量小的橫截面積內對撞,也就是說需要束流有盡量高的亮度)。

《知識分子》:建這么大的裝置,有20多億美元的投入,研究一個很基礎的問題?

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。但是花那么多錢去造這么一個對撞機,就說明對基礎科學研究的一個重視的程度。

《知識分子》:

項目也提到對于加速器技術和部件,芯片制造測試、癌癥治療、藥物醫療等潛在好處也羅列了一些。你覺得對于推動這些領域有作用嗎?還是只是一些宣傳?

季向東:

我認為兩者都有。我覺得這些用處也許并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,而是通過這么一個前沿的科學項目培養出好多人才,我覺得這方面還是值得學習的。

《知識分子》:

整個過程你提到,從最初提出想法,到現在經歷了十幾年,這是個正常的時間花費么?

季向東:

這是一個正常的。其實,科技部門的一個中心曾經要我去講過這個大科學項目,我也專門做了一些準備去講。當時講完了以后,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。

《知識分子》:最后確定建在布魯克海文實驗室,之前有沒有其他實驗室競爭?

季向東:

杰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。最后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,而且他們在項目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,杰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,而對于布魯克海文則是一個新的項目。此外,杰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。最后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。

《知識分子》:能源部報道有一句話說,EIC將改變國際核物理界的游戲規則,這個如何理解,是夸大的一個說法嗎?

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),歐洲借助于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。

而且這個最后選擇的方式,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。

《知識分子》:這個項目還需要美國能源部其他實驗室的幫忙?

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,像杰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,盡管大的機器會在這里造,但項目里頭有很多部件,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。

《知識分子》:能源部提到說也需要國際團隊,這是不是一個必要的?

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項目,它并沒有要求需要一定有多少百分比的國際投入,這個項目才往前推動。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,美國越來越不太愿意要別的國家參與,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。所以我覺得大科學項目當然需要國際合作,但是現在,能起多少作用,或者它有多少期待,可能比較有限。

《知識分子》:這樣一個科學目標,國際上有其他的實驗競爭嗎?

季向東:

沒有。有一些固定靶實驗,原來在德國也有一些實驗,但都不是那么太專門化的,不是為這種問題研制定做的實驗裝置,所以最后都比較模棱兩可。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。

《知識分子》:質子里除了夸克,膠子質量占到90%,質子質量之謎這個問題很難解決?

季向東:

對于強相互作用,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,其實研究質子質量的問題是我1995年提出來的。但是,到現在為止,我們并沒有一個非常好的方式來解說強相互作用力是怎么工作的。

現在很多的工作都是用大型計算機來進行解決 (叫格點規范理論或量子場論),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,還需要有實驗數據來進行佐證,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,能夠提供更多的數據,來幫助我們理解究竟強相互作用是怎么創造出質子中子的。

《知識分子》:這個對撞機的建造會持續多少年?

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。

《知識分子》:它何時可以獲得數據,應該是十幾年以后的事了吧?

季向東:

我想應該要10年,到2030希望能夠有實驗數據。

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