如果某种大灾难毁灭了所有的科学知识，却只有一句话传给了下一代生物，那么用最少的话表达最多信息的语句是什么？我相信这就是原子假说，即一切都是由原子构成的。小颗粒以一种永恒的方式运动，当它们彼此距离很小的时候会互相吸引，但当它们互相挤压的时候会互相排斥。如果再加上一点想象力和思考，你会在那句话里看到很多关于这个世界的信息。3354理查德费曼，1964年
1870年，汤慕孙发现了电子，提出原子被带负电的电子嵌在带正电的均匀球体表面(葡萄干布丁模型)。随着电子的发现和20世纪初的科学革命，特别是1911年，英国物理学家卢瑟福通过粒子散射实验发现原子有一个带正电的高密度中心(原子核)，电子围绕在原子核周围，这使我们知道还有比原子小的原子核，以及组成原子核的质子和中子，统称为核子。
作为核可见物质世界的主要基础积木，具有复杂的夸克和胶子内部结构(图2)，是当代核物理的前沿领域之一。对原子核结构的研究是人们的前沿对物质结构的认识，还有一系列基本问题有待解决，如核质量的来源、核自旋的起源和夸克胶子禁闭机制等。
图2物质结构，从原子到夸克和胶子
电子离子对撞机(EIC)是一种大型粒子加速器，被认为是三维电子显微镜具有超高的分辨率，是研究原子核结构的最理想工具。EIC用没有内部结构的电子轰击质子和更重的原子核，可以探索核内夸克和胶子的结构以及它们之间的相互作用。借助这台超级显微镜，科学家可以获得世界上最清晰的原子核三维图像，人类探索微观物质世界的知识边界将不断扩大。
二、研究现状
核物理是研究核物质的领域。根据能量标准的不同，可以分为低能核物理和高能核物理。包括强子介子和重子，是最小的可以从物质中分离出来的具有内部结构的观测单位。质子和中子统称为核子，属于重子。质子内部的夸克胶子结构属于人类正在探索的物质世界的最深层次，是高能核物理研究的重要领域。
决定强子量子数的夸克叫做价夸克，质子的价夸克是(uud)，可以对外表示；此外，任何强子都可能包含无限数量的虚海夸克，反夸克，胶子，这些都不会影响它的量子数。强子色场的胶子分裂时，会形成海夸克，即虚夸克-反夸克。反过来，两个海夸克会湮灭产生胶子。在原子核内部，正负夸克对在真空中不断产生和湮灭，胶子分裂和重组，就像一锅汤，形成冒泡、沸腾、动态的复杂结构。
早期加速器的电子能量较低，其德布罗意波的波长较长，所以起初物理学家认为质子自旋只是来自于组分夸克的自旋。但随着研究的深入和加速器技术的发展，发现电子与质子的高能碰撞会产生各种粒子，其中明显含有价夸克以外的夸克。根据现代的观点，质子由价夸克、胶子和海夸克组成。
半个多世纪以来，人类对核结构进行了长期的理论和实验研究。理论上，分量夸克模型是1964年由盖尔曼和茨威格独立提出的。认为介子由夸克和反夸克组成，重子由三个夸克组成。盖尔曼获得了1969年的诺贝尔物理学奖。基于夸克模型的强子谱研究一直是核结构研究的重要方向。在实验方面，核结构的实验研究获得了三次诺贝尔奖，代表了核结构研究发展的主要里程碑。分别是：原子核异常磁矩的研究(Stern，1943)，首次直接证明质子是非点粒子；电子散射测量核子的电磁形状因子(Hofstadter，1961)，首次观测到核子的电磁结构；深度非弹性散射实验和核子的夸克结构(Friedmann，Kendall和Taylor，1990)首次证明了核子中存在夸克。近十年来，美国杰斐逊实验室(JLab)利用低能电子束系统地研究了质子中价夸克的一维结构，而核子的三维结构直到最近才真正被研究出来。
在中国核物理理论研究领域，已经形成了一支由众多研究机构的理论研究人员组成的核结构和QCD理论研究队伍，成为世界一流的团队。他们在核子和原子核结构的研究中提出了独特的观点，取得了突出的成就，如QCD演化方程的改进、小X物理现象学的研究、角动量的正则不变量分解理论、因式分解定理和强子机制的研究等。同时，基于修正的DGLAP方程，他们建立了部分质子分布函数数据库IMParton和nIMParton。这些理论研究将在EIC预研和实验数据分析中发挥重要作用。在实验方面，中国核物理学家参与了国外的实验，并形成了比较庞大的研究团队。所以，无论是理论上还是实验上，我们都有很好的基础，我们有能力提出并建设我们的国家美国自己的电子离子对撞机。
三离子对撞机的物理目标
在高能核物理领域，除了QCD相变，另一个重要的课题是核结构。胶子和海夸克的研究需要更高能级的电子离子对撞机。EIC装置，被视为超级电子显微镜，将是研究原子核结构和核内夸克-胶子分布最有效的设备，可以帮助科学家精确测量原子核的一维自旋结构和三维结构。图4总结了各种结构函数及其测量方法。
图4质子一维和三维部分分布函数
自从EMC观测到质子自旋成分以来，我们取得了一系列进展。但一维结构的实验结果误差仍然较大，尤其是海夸克的极化分布误差，导致对质子自旋的各种来源缺乏准确的认识。因此，精确测量海夸克的自旋分布是当前实验和理论的重要任务之一。在不断提高核一维结构测量精度的同时，随着理论和实验的发展，科学家开始考虑测量核三维结构的TMD和GPD。TMD和GPD包含了非常丰富的核内部结构信息。目前，GPD和TMD的测量是QCD研究的一个引人注目的前沿。然而，目前TMD和GPD的理论模型、计算和实验测量仍处于发展阶段，急需各种精确的实验数据。因此，对这些分布函数的研究是核结构实验测量和QCD理论研究的一个重要前沿。未来国内外的EIC实验项目将把原子核的三维结构列为最重要的目标之一。这些测量加深了人们对核结构和强相互作用的理解。
作为亮点，我们主要介绍EIC将解决以下三个核心科学问题：
1.质子质量的起源
质量是粒子最基本的性质之一。夸克质子的质量有两个术语：当前夸克质量是希格斯机制产生的夸克质量，而分量夸克质量是指当前夸克质量加上当前夸克周围凝聚的胶子场。因此，虽然胶子本身没有质量，但含有胶子的核子却很重(一个核子的总质量比它所含的价夸克质量大100倍)。原子核的质量是如何产生的仍然是个谜。解决质子质量组成问题，从而知道宇宙中所有可见物质的质量，这是核物理和粒子物理中一个非常基础和深刻的物理问题。
可见物质主要由质子和中子组成，这些强子由夸克组成。希格斯机制赋予宇宙万物质量。但是，希格斯场只给夸克、电子等基本粒子质量。希格斯机制产生的夸克质量只占质子质量的1%左右(图5)。科学家将剩余99%的质子质量归因于胶子相互作用，这是一种由强相互作用引起的量子效应。将夸克结合在一起的强核力承担了“夸克”的大部分工作给弥撒变成质子。而强核力给出的质量和希格斯机制产生的质量是不同的，并不是相互独立的。
目前QCD理论将质子质量分解为四部分，其中能量动量张量的迹反常的物理本质是质子质量问题中最不清楚的部分。这可以通过测量矢量介子粒子产生过程的近阈值产生截面来研究：因为这个截面对粒子和核子之间的非微扰胶子相互作用非常敏感，所以它显示了近阈值截面的增强。作为未来唯一一台研究质子质量物理起源的强相互作用对撞机，EIC首次能够精确测量出Upsilon粒子在阈值附近的截面。科学家将结合阈值附近J/psi粒子的产生，深入理解QCD迹异常机制对质子质量的贡献。这对于理解并最终解决质子质量问题非常重要，也将促进我们从质量角度进一步理解强相互作用和QCD性质。
2.质子自旋问题
自旋源很复杂，包括价夸克、海夸克和胶子的极化和轨道角动量贡献。人的直观想法是，质子的自旋角动量的1/2来自两个自旋平行的夸克和另一个自旋反平行的夸克。然而，电子和质子的散射实验表明，我们已知构成质子的三种夸克的自旋角动量只贡献了质子自旋的一小部分。这一历史事件也被称为旋转拼图。"质子自旋危机将原子核结构的研究带入了一个新时代。到目前为止，我们知道质子中的价夸克，即U夸克和D夸克，只贡献了30%的质子自旋。海夸克和胶子可能贡献了50%，但至少还有20%~30%的自旋源是未知的。
自从20世纪80年代末EMC实验揭示了核自旋问题以来，核自旋物理的研究一直非常活跃。许多国际实验室通过一系列极化轻子-核深度非弹性散射(DIS)精确测量了核自旋结构。SLAC、DESY、欧洲核子研究中心和其他实验室对核结构进行了卓有成效的研究。目前国际上实验结果准确度最高的实验室是JLab，其加速器提供连续电子束，最高能量刚刚从6 GeV升级到12 GeV；亮度；在偏振光束和偏振目标的情况下，亮度仍可高达~ (-)，保证了实验的高统计性。JLab的束流能量决定了它的主要研究对象是质子中的价夸克。因此，EIC是彻底解决质子自旋问题不可缺少的研究装置。EIC的主要目标是确定海夸克和胶子的自旋贡献及其轨道角动量。
3.有色玻璃的凝结
物质中胶子的性质(即它们的排列或状态，以及它们如何将夸克结合在一起的细节)仍然未知。物质中的胶子类似于宇宙中的暗物质：虽然看不见，但都起着至关重要的作用。就像凝聚态物理中著名的玻色-爱因斯坦凝聚一样，也有类似的现象—— 有色玻璃冷凝在高能核物理中。如果我们试图将质子加速到接近光速，就会出现一个奇怪的现象：质子内部的胶子数量急剧增加。这是因为胶子光速飞行会分裂，形成一对能量较低的胶子，产生的胶子会进一步分裂。最后质子中胶子的数量会达到一个上限，胶子的数量不会增加。此时质子以光速飞行所表现出来的状态叫做彩色玻璃凝聚态(CGC)。色凝聚的存在是QCD中胶子相互作用的直接结果(图7)。色凝聚现象对于理解宇宙中的物质非常重要。
图7 QCD演化：探针分辨率与能量图。该图显示了未扰动和扰动的QCD区域。在扰动区域，一些子分布函数按照DGLAP或BFKL/BK/JIMWLK等方程演化(图片来源：美国EIC白皮书)
量子色动力学理论表明有色玻璃凝聚的能量标准与原子质量数A的三次方成正比，因此在电子-重离子碰撞中比在电子-质子碰撞中更容易观察到有色玻璃凝聚现象。EIC上的重离子束流可以为我们提供探索饱和区和CGC性质的途径。与赫拉相比，RHIC和LHC只找到了饱和胶子物质的线索。EIC将是第一个确定有色玻璃凝结现象的装置，因为它具有很宽的运动范围，能够探测单次提升和半单次提升非弹性散射中的各种原子核。
四电子离子对撞机的建造
目前，国际核物理界基本达成共识，认为EIC是研究核内和核内夸克胶子分布最有效的装置。EIC实验及其相关物理研究是全球高能核物理领域中竞争激烈的领域，是国际高能核物理领域中最优先的研究项目之一。美国和欧洲正在计划建造高能电子-离子对撞机，一些概念设计和物理研究已经完成。
美国科学界已确定EIC是其核物理发展的重点，并将争取世界领先地位。2018年发布的《美国电子离子对撞机科学评估报告》明确指出了电子离子对撞机在科学中的重要性：核质量如何产生等重大科学问题需要一个具有高极化电子和离子束的EIC，这个EIC还应该具有足够高的亮度和足够且可调的质心能量。"评估委员会总共给出了9个调查结果。第一个结果是，只有EIC能够回答关于核子(即中子和质子)以及它们如何在原子内部形成原子核的三个重要问题：核质量是如何产生的？原子核自旋是如何产生的？次高密度系统的突现性是什么？
报道接着提到，这样的EIC装置在世界上将是独一无二的，它将使美国在核物理、加速器科学和对撞机技术方面保持世界领先地位，并有助于在更广泛的领域保持科学领先地位。
2020年1月9日，美国能源部宣布选定纽约州布鲁克海文国家实验室建设大型核物理研究设施————电子离子对撞机eRHIC。埃尔希的目标集中在高能区。在这个能量区，胶子动力学起着主导作用。
中国电子离子对撞机项目也在规划中。科学家在中国经过多次战略研讨会和磋商会议，美国核物理界达成共识：充分利用广东惠州正在建设的重大科技基础设施及其升级计划，建立中国开展核物理前沿和交叉领域的研究，加速取得重大原创性成果。基于中国的规划2050年美国科学仪器发展路线图，中国科学院近代物理研究所在2012年首次提出。在HIAF(已于2018年底在广东省惠州市开工建设)的基础上，增加了新的电子束，建成了同时具有电子束和质子/重离子束极化的中国电子离子对撞机(EicC)。该装置以现有的强流重离子加速器HIAF为基础，采用环形对撞机方案，建立了一个8 离子环弹簧、电子注入器和跑道形电子环。EicC装置质心系统的能量在15~20 GeV范围内。
图8基于HIAF加速器的中国电子离子对撞机EicC装置设计图
探针大小由对撞机的能量决定。EicC的探针大小约为质子的1%到1/1000，是研究海夸克的最佳区域。EicC建成后，将是世界美国第一台极化电子离子对撞机运行于海洋的夸克能量区。EicC的主要物理目标包括精确测量海夸克的一维和三维结构，研究核的结构和性质，奇异强子态和质子质量起源等重要的基础科学问题。美国CERN未来的EIC装置的主要优势是研究胶子。赫拉实验取得了很多关于核结构的实验结果，但是这个实验的缺点是只有ep，没有eA，而且质子束没有极化，亮度低(
)。因此，EicC将是世界上第一台高亮度双极化电子离子对撞机。EicC建成后，科学家将把核结构的研究推进到小X场，即海夸克乃至胶子能区，开辟核物理研究的新领域。
EicC的设计为以后的发展留有余地。EicC将在一期的基础上进一步提高束流能量和亮度，建设EicC二期。EicC二期将精确测量核子和原子核中胶子和夸克海的多维自旋分布，寻找标准模型之外的新物理。未来可能进一步与Super tau/charm设备结合。
EicC的主要目标之一是研究质子质量的来源，即互补到中国科学院高能物理研究所提出的希格斯工厂——CEPC。第一阶段，将CEPC建成希格斯粒子(Z玻色子)工厂，精确测量希格斯性质，深入研究标准模型、弱对称性自发破缺机制、质量起源等基础问题，寻找标准模型之外的新物理线索。CEPC研究希格斯机制引起的夸克等基本粒子的质量起源，而EicC研究强相互作用引起的强子能级的质量起源。这两个质量源是互补的。只有同时了解夸克和强子的质量起源，才能真正理解强相互作用力和物质结构。
中国的EicC与美国杰斐逊实验室(JLab)和美国EIC的主要区别是什么？不同于能量的物理目标。EIC的能量位于运行中的JLab装置和美国EIC之间的空白区域。三个装置的物理目标是相辅相成的：EicC主要研究海夸克的结构，美国EIC主要研究胶子物理，目前正在运行的Jefferson实验室主要研究价夸克结构。
第五个结论
现代核物理的基本目标是研究由于强、弱、电磁力相互作用而在核物质微观层次上产生的各种物理现象，了解宇宙的起源和演化以及可见物质的基本结构。自从卢瑟福发现原子核后，过了一百多年努力，人类在核物理研究方面取得了重大的成功，从根本上影响了过去的社会发展和科学研究
作为一种重要的大型新科学装置，电子离子对撞机的设计、建造和运行将对其他学科产生重大影响，给社会带来巨大效益。除了加速器、探测器和芯片技术，EIC器件还将影响其他研究领域，包括晶格QCD、粒子物理、高能天体物理、原子和凝聚态物理等等。
在EIC 的令人兴奋的物理学前沿计划，核科学将继续吸引大量优秀的年轻人参与到这一探索核物质结构前沿的基础研究中来。
原标题：用于研究核结构的电子离子对撞机3354超级显微镜
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