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构成万物的质子和中子,质量从何而来?

时间: 2020年04月08日 | 作者: Abhay Deshpande,Rik | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
质子和中子的质量和自旋从何而来?质子和中子具有内部结构——夸克,但夸克是如何组成质子的?根据量子力学,质子不是由三个夸克简单组合在一起,而是一锅“粒子汤”。


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在托马斯·杰斐逊国家加速器装置的连续电子束流加速器装置(CEBAF)中,电子束流形成束团。(摄影:Floto + Warner)


质子和中子的质量和自旋从何而来?令人惊讶的是,我们并不知道答案。质子和中子具有内部结构——夸克,但夸克是如何组成质子的?根据量子力学,质子不是由三个夸克简单组合在一起,而是一锅“粒子汤”。现在,科学家需要用电子去撞击质子,从而窥探这锅汤里面到底是什么。


撰文 | 阿布依·德什潘德(Abhay Deshpande)、

吉田陆太郎(Rikutaro Yoshida)

翻译 | 王荣

审校 | 陈旭荣


据科学家估计,可观测的宇宙中存在大约1053千克的普通物质,其中绝大部分是质子和中子,总数大约有1080个。原子就是这两种粒子与电子组成的。但是质子和中子的质量是从何而来的呢?


答案其实并不简单。质子和中子由夸克和起着黏结作用的胶子组成。胶子是无质量的,而质子和中子(统称为核子)内部所有夸克质量的总和不到核子总质量的2%。那么其余的质量是哪来的呢?


质量不是核子身上的唯一谜团。它们的自旋同样令人困惑——核子中夸克的自旋不足以解释整个核子的自旋。科学家现在认为,核子的自旋、质量和其他性质都源自它们内部夸克和胶子之间的复杂相互作用,但他们不清楚其中的确切机制。而科学家通过理论也只能了解这么多,因为夸克和胶子之间的相互作用由一种名为量子色动力学(QCD)的理论主宰,这种理论的计算极端困难。


为了更进一步地回答这些问题,我们需要新的实验数据。因此,电子离子对撞机(EIC)的构想应运而生。其他的原子“粉碎机”,例如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机或美国的相对论重离子对撞机(RHIC),撞击的是质子和离子这样的复合粒子,而EIC与它们不同,是用电子撞击质子和中子。电子没有内部结构,可以充当显微镜,让科学家看到那些复合粒子里面的情况。


EIC是美国核科学界当前优先级最高的项目之一,它有两个候选地址,一个是位于长岛的布鲁克海文国家实验室,另一个是位于弗吉尼亚州纽波特纽斯市的托马斯·杰斐逊国家加速器装置(杰斐逊实验室)。如果获得批准,EIC可在2030年左右开始采集数据。


这台对撞机能够解答一个关键问题:单个夸克和胶子的自旋和质量是怎样与它们集体运动的能量组合在一起,创造出质子和中子的自旋及质量的?EIC还可以回答许多其他问题,比如夸克和胶子是聚集在一起还是分散在核子内部?它们的移动速度有多快?核子在原子核中结合在一起时,这些相互作用扮演了怎样的角色?EIC上的测量结果将会提供大量新信息,帮助我们认识物质的基本成分是如何相互作用,并最终形成可见宇宙的。在发现夸克50年后,我们终于只差一步就能解开它身上的谜题了。


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难以计算的色动力学


科学家很清楚物体是怎样由原子构造而成的,也知道物体的性质是如何由其内部原子的特性决定的。那么,为什么我们不明白夸克和胶子是怎样组成核子的呢?首先,核子的大小,只有原子的百万分之一,所以没有一个简单的方法可用来研究它们。此外,核子的性质源自夸克和胶子的集体行为。事实上,它们是“涌现”(emergent)出来的现象,即许多复杂粒子通过相互作用呈现出的整体效果,这些相互作用过于复杂,我们暂时还无法完全理解。


描述这些相互作用的理论是量子色动力学(QCD),它是在20世纪60年代末至70年代初发展起来的。QCD是“标准模型”的一部分,就像带电粒子之间的电磁力由光子携带一样,QCD告诉我们,把核子束缚在一起的强相互作用力是由胶子携带的。强相互作用力涉及的“荷”被称为“色荷”(因此其理论叫做“色动力学”)。夸克携带色荷,并通过交换胶子与其他夸克相互作用。但与电磁学中本身不带电荷的光子不同,胶子本身携带色荷。因此,胶子能通过交换更多的胶子与其他胶子发生相互作用。胶子的这个独特性质意义重大,相互作用的反馈循环就是导致QCD理论经常因为过于复杂而无法计算的原因。


QCD还有一点与我们熟知的其他理论不同:当夸克相互接近时,强相互作用力反而会变弱。(在电磁学中,情况相反。)当核子内部夸克之间的距离足够小时,夸克承受的力非常小,以至于它们好像是自由的。物理学家戴维·格罗斯(David Gross)、戴维·波利策(David Politzer)和弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)因为发现QCD理论的这一奇怪结论而赢得了2004年的诺贝尔物理学奖。而当夸克之间的距离变大时,它们之间的作用力迅速增大,强大到把夸克最终“禁闭”在核子内部——这就是你永远不会在质子或中子外面找到一个夸克或胶子的原因。


为了在量子层面上进一步理解强相互作用力,我们需要更多信息。比如说,我们能掌握原子世界,不仅是因为我们理解了原子间的相互作用,除此之外,对这些基本零件中涌现出的现象,我们也有了相当的认识。原子和电磁学是分子生物学的基础,但我们不可能仅根据这些知识建立起分子生物学。关键的突破在于研究人员发现了DNA的双螺旋结构。要在夸克-胶子的认识上取得进展,我们需要做的就是观察原子核的内部。



窥视核子内部的实验


20世纪初,物理学家发现了利用X射线衍射“看见”原子的方法。用一束X射线照射样品,然后研究它们穿过材料时产生的干涉图案,科学家就可以看到原子组成的晶格结构。这种技术能成功的原因在于,X射线的波长与原子直径接近,让我们有能力探测纳米级别的原子尺度。用同样的方法,物理学家在50年前的电子质子碰撞实验中首次“看到”了夸克,这个碰撞过程被称为深度非弹性散射(DIS)。


在这种方法中,电子从质子(或着中子、原子核)上反弹回来并与质子交换一个虚光子。虚光子不完全是真实的——根据支配粒子相互作用的量子力学,它们会凭空出现,然后又立即消失。通过仔细测量电子反弹时的能量和角度,我们可以获得它击中的那个物体的信息。


DIS实验中,虚光子的波长是飞米量级(10-15米),相当于质子直径的尺度。碰撞过程的能量越高,交换的虚光子波长就越短,而波长越短,这个“探针”就越细,定位越精确。如果波长足够短,电子实质上是从质子里面的一个夸克或胶子上反弹回来(而不是从整个质子上反弹),从而可以一窥质子的内部结构。


第一个DIS实验是在斯坦福直线加速器中心(现已更名为SLAC国家加速器实验室)进行的,该实验在1968年提供了首个证实夸克存在的证据,实验主导者因此获得了1990年的诺贝尔物理学奖。类似的实验发现,自由质子和中子内部的夸克与原子核中质子、中子内部的夸克,在性质上有很大的差异。此外,还有实验发现,质子和中子的自旋并不是来自构成它们的夸克的自旋。这一事实让科学家大感意外,因为最初是在质子上发现的,所以被称为“质子自旋危机”。


第一个DIS对撞机(也就是电子和质子在撞击前都经过加速的机器)是德国电子同步加速器研究中心(DESY)的强子-电子环形加速器(HERA)。该对撞机从1992年一直运行到2007年。HERA实验表明,质子和中子不是像我们过去以为那样,只是三个夸克简单组合在一起。事实上,它们是一锅“粒子汤”,内部有数量众多的夸克和胶子不断出现又消失。HERA显著提升了我们对核子结构的认识,但无法解决“自旋危机”。而且,由于这个加速器没有原子核束流,所以也不能研究原子核中的夸克和胶子的行为。


在这种尺度下观测粒子行为是非常复杂的,主要原因是量子力学本身存在一些怪诞之处。量子力学将亚原子粒子描述为概率的迷雾:它们不会在特定的时间地点,以固定的状态存在。反之我们应该这样理解夸克:它们同时存在于无穷多个量子态中。而且,我们必须考虑量子力学中的纠缠现象。量子纠缠可能给观察原子核尺度的物理过程设置了一个根本的障碍,因为我们想要观察的夸克和胶子有一定几率与我们用来观察它们的探针处在纠缠状态——在DIS实验中,用到的探针就是虚光子。当我们的观测结果取决于我们怎么去探测时,要定义我们所说的核子结构是什么,似乎是不可能的。


幸运的是,到了20世纪70年代,QCD理论取得了足够的进展,让科学家认识到DIS实验中的探针和靶是可以分离的——这种状况被称为因子化。在足够高的能量下,科学家实际上可以在某些场合忽略量子纠缠效应——足以在一维条件下描述质子的结构。这意味着,他们可以通过DIS实验测量任意一个夸克为整个质子贡献了特定比例的动量(质子前进方向上的纵向动量)的概率。


最近的理论进展使我们能够进一步地描述核子的内部结构,不再局限于一维——不仅仅是夸克和胶子为整个核子贡献了多少纵向动量,还有它们在核子内部从一侧到另一侧的运动情况。


但真正的进步将随着EIC的出现而到来。


电子离子对撞机


EIC将制作一张核子内部的三维地图。我们希望用这台对撞机测量夸克和胶子的位置和动量,以及夸克和胶子对核子整体质量和自旋的贡献。


与以前的DIS实验相比,EIC的关键进步是它的亮度:比方说,它每分钟的粒子碰撞数要比HERA多100~1000倍。另外,EIC上的碰撞束流能量更高,足以分辨出仅有质子直径百分之几的长度,让我们可以研究质子中存在大量携带了约0.01%质子纵向动量的夸克和胶子的情况。EIC也能让我们能控制束流中粒子自旋的朝向,这样,我们就能研究质子的自旋是怎样从夸克和胶子的QCD相互作用中产生的。把EIC的测量纳入当代的理论框架,我们甚至能构建出用夸克和胶子描绘的真正的三维质子图像。


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EIC上的测量能让我们得到第一张真正的质子3D照片。(图片来源:布鲁克海文国家实验室)


我们有许多问题想去探索。例如,质子内部的组分粒子是均匀地散布在里面,还是聚集在一起?是否有些组分比其他组分给质子贡献了更多的质量和自旋?夸克和胶子在质子与中子结合成原子核时扮演了怎样的角色?现有的实验设施刚刚开始在飞米尺度上探索这些难题,而EIC是第一个能带我们找到完整答案的机器。


我们对核子结构的理解存在一大疑问:当我们用一个极细的探针在非常小的尺度下探查核子时会发生什么。在这种情况下,会发生一些奇怪的事情。QCD理论预测,你在越高的能量下探测,发现的胶子也就越多。夸克可以辐射胶子,而那些胶子接下来会辐射出更多的胶子,导致连锁反应。奇怪的是,导致这种胶子辐射的不是测量行为,而是量子力学本身的怪诞性质。量子力学告诉我们,当你靠得更近观测时,看到的质子内部是不一样的——胶子变得更多了。


但我们知道这不可能是完整的答案,因为这意味着物质在无限增多——换句话说,如果你观测时靠得足够近,原子会拥有无穷多的胶子。包括HERA在内,之前的对撞机已经看到了一些迹象,表明胶子存在一种“饱和”状态。在这种状态下,质子不能容纳更多的胶子,一些胶子开始合并从而抵消了增长。但物理学家从未确定无疑地探测到饱和态,并且我们不知道它出现所需的阈值。一些计算表明,胶子饱和形成了一种新的物质状态:具有非凡特性的“色玻璃凝聚态”。例如,胶子的能量密度可能达到中子星内部能量密度的50~100倍。为了让胶子密度达到最高的可能值,EIC将用重原子核取代质子,来探测并仔细地研究这个迷人的现象。



建造EIC的两个方案


建造这个新对撞机的计划赢得了美国核科学界最近一次(2015年)长期规划会议的强力支持,也得到了美国能源部的赞同。美国能源部在2017年要求美国科学、工程与医学院(NAS)对EIC进行独立评估。在2018年7月,NAS委员会得出结论,认为EIC项目是基础、必要且及时的。


建设这台机器有两种可能的途径。一个途径是升级布鲁克海文的RHIC。这个计划叫作eRHIC,将在RHIC现有的加速器隧道里增加一条电子束流,并且让电子束流在两个不同的地方与RHIC现有的一条离子束流对撞。


另一个方案是使用杰斐逊实验室连续电子束流加速器装置(CEBAF)上的电子束流。这个计划叫作杰斐逊实验室EIC(JLEIC),CEBAF的电子束流将会被引导到隔壁一个新的对撞机隧道中。


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当电子束流在CEBAF环形管道中加速时,这些蓝色的偶极磁铁负责控制电子束流的运动方向。


这两个装置都能让我们对QCD理论的理解获得巨大飞跃,并最终给出核子和原子核内部的的可视化模型。两者也都能让科学家解决目前仍困扰我们的有关核子自旋、质量和其他性质的问题。并且任何一个装置都有能力碰撞所有类型的原子核,包含金、铅和铀等重核,这样我们就可以研究当核子处在更大的原子核内部时,其中的夸克和胶子的分布会有何变化。例如,我们想知道一些胶子是否开始重叠并被两个不同的质子“共享”。



飞米技术?


在 21世纪,原子的大小就是限制我们技术的一个因素。在缺少重大突破的情况下,10纳米(约100倍原子直径)可能就是我们能造出的最小电子器件的大小,这表明传统计算能力不太可能维持过去50年间的进步速度。


然而,核子和其内部结构的尺度比这还要小一百万倍。控制这个微观世界的强相互作用力比当今电子器件利用的电磁力要强60倍——实际上它是宇宙中最强的力。有没有可能创造出操纵夸克和胶子的“飞米技术”?从某种程度上说,这种技术将比目前的纳米技术强一百万倍。当然,这个梦想是对遥远未来的一种猜测。但为了达到这个目的,我们首先必须对夸克和胶子的量子世界有深刻的理解。


要最大限度地理解QCD理论,我们需要更多的数据,目前世界上正在筹划的实验装置中,只有EIC能提供这样的数据。但是建造EIC并非没有挑战。该项目必须提供高亮度、高度聚焦的电子束流、质子束流和其他原子核束流,而且这些束流要能达到很宽的能量范围,从而获得每分钟比HERA对撞机多100~1000倍的对撞事例。自旋研究还要求机器提供自旋朝向高度统一的粒子束流,并且自旋的朝向是可以调节和操控的。要解决这些难题需要创新,而这些创新有望变革加速器科学,这不仅会使核物理受益,也会让医学、材料学和粒子物理学获益。


本文作者:

阿布依·德什潘德是纽约州立大学石溪分校的物理教授,布鲁克海文国家实验室未来电子离子对撞机(EIC)科学部主任。

吉田陆太郎是托马斯·杰斐逊国家加速器装置的首席科学家,他还是该实验EIC中心的主任。

本文译者:王荣是中国科学院近代物理研究所副研究员。

本文审校:陈旭荣是中国科学院近代物理研究所研究员、高能核物理研究组组长,主要从事强子物理、核子结构等领域的研究。