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
2019-08

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
2019-08


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。


突現的特性


科學家相當清楚原子如何構成物質,以及物質內的原子特性如何產生物質的特性。的確,我們的現代生活非常依賴我們對原子、電子與電磁學的知識,正是這些知識讓汽車奔馳、智慧型手機運作。但為什麼我們不知道夸克與膠子是怎麼組成核子?首先,夸克比質子小了至少一萬倍,所以研究夸克與膠子沒有簡單方法。此外,核子的特性是由夸克與膠子共同的作用產生,事實上是突現的(emergent)現象,夸克與膠子的交互作用過於複雜,我們直到現在無法完全理解這些現象。


描述這些交互作用的QCD在1960年代晚期至1970年代初期發展出來,是粒子物理學中心理論標準模型的一部份。標準模型描述了除了重力之外,宇宙裡已知的基本作用力。就如帶電粒子之間的電磁力是由光子傳遞,根據QCD,把核子束縛在一起的強力是由膠子傳遞,取決於所謂的「色荷」(所以稱為「色動力學」)。夸克帶有色荷,會交換膠子來與其他夸克交互作用。光子本身不帶電,但QCD與電磁學不同,膠子帶有色荷,因此膠子透過交換更多膠子來與其他膠子交互作用。這種現象深具意義,這些交互作用的回饋環圈通常是QCD複雜到無法計算的原因。


QCD有另一點跟其他理論不一樣,因為當兩個夸克互相靠近時,強力會變小。(電磁學則相反,當帶電粒子彼此遠離時,電磁力會變小。)物理學家葛羅斯(David Gross)、波利徹(H. David Politzer)與威爾切克(Frank Wilczek)發現了QCD的這種特殊現象,獲頒2004年諾貝爾物理獎。當夸克遠離其他夸克,其間的強力迅速增長至相當強烈,致使夸克「限制」在核子內,這就是為什麼你沒辦法在質子或中子之外找到單獨的夸克或膠子。只要兩個夸克夠靠近且其間的強力夠小,物理學家就可以計算QCD交互作用;然而當夸克彼此距離很遠、接近質子半徑時,強力會變得太大,QCD也變得太複雜而不管用。


為求進一步研究強力,我們需要更多資訊。舉例來說,我們熟知原子領域,不只是因為我們了解原子之間的交互作用,我們也了解這些基礎組成單位產生突現的現象。我們不可能透過分子生物學的基礎知識(原子與電磁學)來建構分子生物學。分子生物學獲致重大突破的時刻是發現DNA雙螺旋結構,我們要在夸克-膠子領域獲得突破的方法,就是往原子核內部看。.....