整体极化,美国对撞机开建

日期:2020-02-03编辑作者:国际专题

作者:刘霞 来源:科技日报 发布时间:2020/1/13 9:48:16 选择字号:小 中 大 美拟建新对撞机探究质子“内心”奥秘 成本约16亿到26亿美元 将于2030年运行

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科技日报济南8月3日电 宇宙在最初诞生的百万分之几秒内以夸克胶子等离子体的形式存在,这种类似电浆的状态被认为是固体、液体、气体之后的第四种物质形态。近日,我国科学家首次提出的夸克胶子等离子体整体极化理论,被美国布鲁克海文实验室重离子碰撞实验证实,该实验室RHIC-STAR国际合作组织发言人许长补教授认为,超流体中相对论量子整体极化的提出和被证实是近年来世界高能核物理领域里的最重要突破。该实验结果已作为封面文章发表在3日出版的《自然》杂志上。

科技日报讯 美国能源部官员宣布,核物理学家的下一个梦想有望在纽约实现。据美国《科学》杂志网站9日报道,能源部将在布鲁克海文国家实验室制造新型电子-离子对撞机,让高能电子束冲入质子内部,探究质子内心奥秘。据悉,EIC的建造成本介于16亿至26亿美元之间,拟2030年投入使用。

撰文 | 邸利会

分子由原子构成,原子由电子和原子核组成,而原子核中的质子和中子由更细微的夸克通过强作用力组成,这种强作用力通过胶子传递。通常情况下,夸克被约束在中子、质子内,无法独立存在。通过布鲁克海文国家实验室的相对论性重离子对撞机,科学家们让两个金原子核在接近光速下对撞,利用其对撞温度比太阳表面温度高出3亿多倍的条件,释放出夸克和胶子,从而获得夸克胶子等离子体。包括中国6个研究单位在内的14个国家约500名科学家参与了这项实验计划。

能源部科学副部长保罗达巴尔在新闻发布会上说:这将是几十年来美国建造的首台全新对撞机,它有望使美国在未来几十年保持核物理学领域的领先地位。

责编 | 陈晓雪

整体极化理论的提出者之一山东大学教授梁作堂告诉科技日报记者,两个金核在擦肩而过式的碰撞中会导致一系列效应,整体极化便是表现之一。就像月球在围绕地球公转的同时也在自转一样,碰撞产生的电浆状夸克胶子等离子体在每秒实现1021自身转速的同时,表现出一定的方向性,这种方向性类似于地球绕日公转时表现出的倾角。2004年山东大学梁作堂教授和王新年教授在《物理评论快报》首次提出该理论,从而使世界高能核物理界少有地以中国科学家提出的Global polarization作为专用名词来命名该现象。

自20世纪70年代初,物理学家就知道,每个质子由三个质量更小的夸克通过胶子彼此结合形成。尽管质子比灰尘还常见,但仍蕴藏不少未解之谜。因此,能源部决定建造新型对撞机揭示质子奥秘。位于弗吉尼亚州的能源部托马斯杰斐逊国家加速器实验室也希望花落自家,最新选址决定让这场双雄之争落槌定音。

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。

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此前,杰斐逊实验室已通过向富含质子和中子的靶核发射电子束来研究质子。2017年,该实验室耗资3.38亿美元,将其连续电子束加速器设施的能量提升了一倍。以此为基础,只要再添加一个新质子加速器就可以完成EIC的建造。

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。

而布鲁克海文国家实验室则另辟蹊径。他们的相对论重离子对撞机让金和铜等原子核发生对撞,产生一团超热的夸克胶子对等离子体。

如今,有望解决这些疑问的利器即将诞生。

据信,宇宙大爆炸后万分之一秒左右宇宙就是一团夸克胶子等离子体。RHIC是一个长3.8公里的圆环,由两个同心反向的环形加速器组成。该实验室计划利用其中一个环加速质子并添加一个电子加速器来建造EIC。

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。

达巴尔说,为决定EIC花落谁家,能源部官员成立了一个独立的EIC选址委员会,权衡了诸多因素,包括建造成本等质子加速器通常比电子加速器更大且更昂贵,布鲁克海文实验室最终中选。当然,杰斐逊实验室的科学家也将参与新对撞机的设计、建造和运行。

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。

达巴尔表示,动工前,该项目仍须通过几大考验,包括详细设计方案获批、估算成本及规划建造进度等,可能需几年时间。为给新对撞机让路,自1999年运行至今的RHIC将于2024年寿终正寝。

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。

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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的托马斯·杰斐逊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

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?自旋是怎么形成的?

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。

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。

《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,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,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。

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