物理

撞進原子最深處

物理學家打算興建一座粒子對撞機,藉由高速的質子或中子與電子對撞,來解答夸克與膠子的交互作用如何產生 質子或中子的性質。

撰文/德斯潘德(Abhay Deshpande)、吉田(Rikutaro Yoshida)
翻譯/陳勁豪

物理

撞進原子最深處

物理學家打算興建一座粒子對撞機,藉由高速的質子或中子與電子對撞,來解答夸克與膠子的交互作用如何產生 質子或中子的性質。

撰文/德斯潘德(Abhay Deshpande)、吉田(Rikutaro Yoshida)
翻譯/陳勁豪


電子束的起點:美國湯瑪斯傑弗遜國家加速器設施的連續電子束加速器設施(CEBAF),電子束在此處形成。


可觀測宇宙大約有1053公斤的一般物質,主要由質子與中子構成,總數高達1080;質子、中子再加上電子就組成了原子。但是質子與中子的質量究竟從何而來?


答案其實不簡單。質子與中子是由稱為夸克的粒子與稱為膠子的束縛粒子組成。膠子沒有質量,而質子與中子(統稱為核子)內的夸克質量總和大約佔核子總質量的2%,所以其餘的質量呢?


這並非核子唯一的謎團。核子的自旋(spin)同樣令人費解:核子內的夸克所帶的自旋不足以解釋核子的自旋。科學家現在認為自旋、質量等核子的性質來自內部夸克與膠子複雜的交互作用,不過嚴格來說,我們不知道究竟發生了什麼事。儘管夸克與膠子的交互作用可由稱為「量子色動力學」(quantum chromodynamics, QCD)的理論來描述,但是QCD極難計算,科學家依據這項理論只知道這麼多。


為求突破,我們需要新的實驗數據。這就是建造「電子-離子對撞機」(Electron-Ion Collider, EIC)的原因。有別於其他粒子對撞機,例如位於瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究組織(CERN)的大強子對撞機(LHC)和美國的相對論性重離子對撞機(Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC)把質子與離子這類複合粒子對撞,EIC則是讓電子與質子或中子對撞。因為電子沒有內部結構,可以當做顯微鏡,讓我們看見質子與中子的內部樣貌。


EIC是美國核物理界優先順序極高的項目之一,很可能從美國兩間物理實驗室挑選一間來改建,分別是位於紐約州長島的布魯克海文國家實驗室和維吉尼亞州紐波特紐斯的湯瑪斯傑弗遜國家加速器設施(又稱傑弗遜實驗室)。EIC一旦獲准,可望在2030年前後開始收集數據。這座粒子對撞機將可以看見夸克與膠子個別的自旋與質量以及它們一起運動時的能量,是如何結合成質子與中子的自旋與質量。這座粒子對撞機也可以解答其他問題,例如夸克與膠子在核子內是束縛成團或分散?它們的運動有多快?這些在原子核內把核子束縛成團的交互作用究竟扮演什麼角色?


EIC的這些測量將告訴我們一大堆資訊,是關於這些物質的基本組成如何交互作用以形成可觀測宇宙。在發現夸克50年後,我們終於要著手揭開這神秘面紗。......