下一世代質子次結構和強作用力的細緻解析 ─ 美國電子離子對撞機計畫
- 物理專文
- 撰文者：章文箴（中央研究院物理研究所 研究員）
- 發文日期：2020-12-15
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高能物理學家對於物質世界的瞭解，基於化約論的信念，期待化繁為簡，透過確認在不同尺度下的基本粒子種類，和它們的交互作用，來理解更上層較大尺度的物質結構。在1909年，Hans Geiger 和 Ernest Marsden利用放射性元素產生的α粒子撞擊金箔，觀察有大角度散射的事件，Ernest Rutherford由此結果，推論原子的結構是高度集中極小範圍的正電荷中心和大範圍分布的負電荷粒子，而非原先所想像正負電荷粒子均勻分布所構成，這就是有名的「拉賽福散射實驗」，發現了原子核的結構，也正式開啟了人類利用高能量粒子散射的實驗手段，來探索次原子結構的驚奇之旅。
隨著加速器的發明和進步，穩定的帶電粒子如電子、質子可以被加速到高能量，透過它們所對應的物質波的寬度，目前實驗探索尺度能小到1015公尺 (fm)，比奈米尺度小一百萬倍；透過彈性散射（不破壞被測物的結構），我們可以測定不同原子核的電荷分佈範圍大小、質子的電荷半徑，更進一步利用非彈性散射過程，物理學家確認質子有次結構─夸克，這是美國加州SLAC實驗室在1968年的重大物理成就（1990諾貝爾物理學獎）。
為何瞭解質子如此重要呢？在可觀測的宇宙物質（約1053公斤），絕大多數是由質子和中子，與電子構成的不同的原子，由於電子的質量遠小於質子和中子，因此宇宙目前可見的質量可說是幾乎全部由質子和中子而來，所以瞭解質子和中子（質子的同位旋對稱粒子）的結構，將帶給我們明白質量的來源。進一步的研究發現，質子的次結構中不單有夸克模型所預測的夸克，還有有趣的反夸克和膠子（強作用力的交換粒子）成分，這些基本粒子質子內部，進行極高速運動和強交互作用。但夸克、反夸克和膠子如何構成質子呢？這個問題非常困難，透過在1970年代量子色動力學 (Quantum Chromodynamics QCD) 理論的發展，我們有描述強作用力的理論基礎，夸克帶有色荷─能透過放出或得到膠子來進行強交互作用，類比於我們所熟悉的電磁作用力，電子帶有電荷─能透過放出或得到光子來進行電磁交互作用，但其中有重大不同之處，膠子本身帶有色荷，它能與其他的膠子作用或自我作用；此外不同於重力和電磁作用力，兩個夸克間強交互作用的強度，在短距離減少時是減弱的（2004諾貝爾物理學獎），因此當夸克、膠子們距離增加，強交互作用力增強，限制單一夸克、膠子的分離。
物理學家經過半世紀在實驗（深度非彈性散射、Drell-Yan、噴流反應等）和理論（微擾QCD計算）上的努力，取得夸克、反夸克、膠子在質子內部的一維動量比例分布，稱為部分子分布函數parton distribution function（圖一），也驗證了QCD是描述強作用力的正確理論。質子結構中佔有大動量比例 (x > 0.1) 的主要是價夸克 ─ u夸克和d夸克，在低動量區域則主要是膠子和海夸克 (
,
, s, c) 的成分，特別是膠子的數量，隨著x趨近0非常快速地上升。在最近10年，透過更複雜實驗手段─深度虛康普敦散射過程 (DVCS)、或極化質子和原子核，物理學家開始取得更細緻的分布資訊，對於部分子的認識需要由一維分布，進展到二維（或三維）（圖二）。例如質子夸克縱向動量比例 (x) 與橫向空間分布範圍 (b) 的關係，稱之為Generalized Parton Distribution (GPD)，如同圖三所示意表達的，大動量的夸克在橫向空間分佈在較小的半徑範圍，隨著動量減少，橫向分布空間範圍也擴大。另外一方面，則是瞭解橫向動量分布 Transverse-momentum dependent distribution (TMD)，圖四是TMD函數中的Sivers函數，它是質子內的u夸克和d夸克的橫向動量分布與質子自旋的依存關係，我們發現這兩種夸克的橫向動量平均分布，是左右不對稱於質子的自旋方向，這可以理解成u夸克和d夸克橫向運動所造成的軌道角動量貢獻是不同的。
質子自旋的問題
質子本身的自旋是1/2，如果我們清楚了夸克、反夸克、膠子的成分比例，是否能夠由各種成分的自旋貢獻來組合出質子系統的自旋呢？在1967年歐洲EMC實驗組進行實驗的檢證，出乎意外地發現夸克的自旋貢獻只佔有質子自旋的1/3，這引起一連串的討論和後續的研究，想明白質子自旋組成其他的來源。根據後續對於反夸克和膠子的自旋貢獻程度，我們發現，對於夸克、反夸克和膠子自旋貢獻測量，需要延伸到更小動量比例 (x) 的區域，並加入部分子的軌道角動量的貢獻（圖五），後者意味要進一步得知夸克的橫向動量 (TMD) 、橫向位置 (GPD) 的分布情況，這樣細緻的測量已經陸續在美國BNL，JLAB和歐洲CERN實驗室進行，但因為反應截面極小，需要有新的實驗設施來取得足夠的統計數據。
質子、中子和它們所構成的原子核是宇宙可見物質的質量來源，但它們的質量，除了小於1％的夸克靜止質量（希格氏場作用效應），其他部分都來自於夸克和膠子的高速運動，這是愛因斯坦質能轉換最佳的證據。目前對於膠子的動能貢獻 ─ trace anomaly效應，在理論上認為是最重要但也最缺乏具體實驗的檢證，物理學家希望能透過高速電子所產生的高能量輻射光子來與質子作用中，透過膠子交換生成J/psi或Upsilon粒子的過程來確認。
膠子密度的問題
如同先前所介紹，在極低x區域的部分子成分，主要是膠子，在x趨近0的區域，低動量膠子數量快速增加，造成極高的膠子密度，在強作用力的理論中，預測將出現膠子飽和的現象，形成color glass condensate的狀態，如果能實驗上確認這狀態存在，並作近一步的研究，將會對於強作用力如何形成強子結構的禁閉效有根本的瞭解。
基於上述三個瞭解強作用力的重要問題，美國物理學家提出興建電子離子對撞機(electron Ion Collider, EIC) 的規劃[2] （圖六），透過高質心能量的極化電子、質子或電子、核子對撞，來探索小動量比例區域的質子結構，經過多年的討論和美國國家科學院的評估[3]，美國的能源部在2020年1月宣布核定美國EIC初步推動計畫，並將加速器選址在紐約州長島的Brookhaven國家實驗室[4]，未來預計有來自30國、200個研究單位共1000位物理學家參與這個計畫[5]，初步預定在2030年完成，這將是國際核子物理界未來20年最重要的實驗計畫。目前EIC加速器規劃（圖七）[6]，是利用現有相對論性重離子對撞機RHIC設施3.8公里雙向超導加速環，其一用來最高加速30 GeV極化（最高80％）電子，另一環可用來加速極化（最高70％）質子到250 GeV或100 GeV/u的重離子，如此可以達到質量中心總能45 ~ 175 GeV極化e + p撞擊，或32 ~ 110 GeV的e + A撞擊，束流密度可高達到1033 ~ 1034 cm-2s-1，是先前德國DESY電子離子對撞機的100 ~ 1000倍的亮度，將可同時提供三個實驗組來取數。目前美國EIC計畫已經正式徵求各研究團隊的參與意向書，由中大、成大、台大和中研院所組成的台灣高能實驗團隊都表達參與這一重要的實驗計畫意願。在此同時，中國也提出興建20 GeV的極化質子束流和2.8 ~ 5 GeV的極化電子束流的CEIC計畫[7]，由於質心能量較低，研究的重點主要著重在sea夸克部分子、原子核結構和特異強子態的研究。
參考連結：
https://link.springer.com/article/10.1140/epja/i2017-12356-8
https://arxiv.org/abs/1212.1701
https://www.nap.edu/catalog/25171/an-assessment-of-us-based-electron-ion-collider-science
https://www.interactions.org/press-release/department-energy-selects-site-electron-ion-collider
http://www.eicug.org/
https://www.bnl.gov/eic/
https://arxiv.org/abs/2008.00102
作者：章文箴 中央研究院物理研究所 研究員
隨著加速器的發明和進步，穩定的帶電粒子如電子、質子可以被加速到高能量，透過它們所對應的物質波的寬度，目前實驗探索尺度能小到1015公尺 (fm)，比奈米尺度小一百萬倍；透過彈性散射（不破壞被測物的結構），我們可以測定不同原子核的電荷分佈範圍大小、質子的電荷半徑，更進一步利用非彈性散射過程，物理學家確認質子有次結構─夸克，這是美國加州SLAC實驗室在1968年的重大物理成就（1990諾貝爾物理學獎）。
為何瞭解質子如此重要呢？在可觀測的宇宙物質（約1053公斤），絕大多數是由質子和中子，與電子構成的不同的原子，由於電子的質量遠小於質子和中子，因此宇宙目前可見的質量可說是幾乎全部由質子和中子而來，所以瞭解質子和中子（質子的同位旋對稱粒子）的結構，將帶給我們明白質量的來源。進一步的研究發現，質子的次結構中不單有夸克模型所預測的夸克，還有有趣的反夸克和膠子（強作用力的交換粒子）成分，這些基本粒子質子內部，進行極高速運動和強交互作用。但夸克、反夸克和膠子如何構成質子呢？這個問題非常困難，透過在1970年代量子色動力學 (Quantum Chromodynamics QCD) 理論的發展，我們有描述強作用力的理論基礎，夸克帶有色荷─能透過放出或得到膠子來進行強交互作用，類比於我們所熟悉的電磁作用力，電子帶有電荷─能透過放出或得到光子來進行電磁交互作用，但其中有重大不同之處，膠子本身帶有色荷，它能與其他的膠子作用或自我作用；此外不同於重力和電磁作用力，兩個夸克間強交互作用的強度，在短距離減少時是減弱的（2004諾貝爾物理學獎），因此當夸克、膠子們距離增加，強交互作用力增強，限制單一夸克、膠子的分離。
物理學家經過半世紀在實驗（深度非彈性散射、Drell-Yan、噴流反應等）和理論（微擾QCD計算）上的努力，取得夸克、反夸克、膠子在質子內部的一維動量比例分布，稱為部分子分布函數parton distribution function（圖一），也驗證了QCD是描述強作用力的正確理論。質子結構中佔有大動量比例 (x > 0.1) 的主要是價夸克 ─ u夸克和d夸克，在低動量區域則主要是膠子和海夸克 (
,, s, c) 的成分，特別是膠子的數量，隨著x趨近0非常快速地上升。在最近10年，透過更複雜實驗手段─深度虛康普敦散射過程 (DVCS)、或極化質子和原子核，物理學家開始取得更細緻的分布資訊，對於部分子的認識需要由一維分布，進展到二維（或三維）（圖二）。例如質子夸克縱向動量比例 (x) 與橫向空間分布範圍 (b) 的關係，稱之為Generalized Parton Distribution (GPD)，如同圖三所示意表達的，大動量的夸克在橫向空間分佈在較小的半徑範圍，隨著動量減少，橫向分布空間範圍也擴大。另外一方面，則是瞭解橫向動量分布 Transverse-momentum dependent distribution (TMD)，圖四是TMD函數中的Sivers函數，它是質子內的u夸克和d夸克的橫向動量分布與質子自旋的依存關係，我們發現這兩種夸克的橫向動量平均分布，是左右不對稱於質子的自旋方向，這可以理解成u夸克和d夸克橫向運動所造成的軌道角動量貢獻是不同的。圖一
圖二
圖三
圖四[1]
雖然物理學家對於質子內部結構已經取得重大進展，但仍然有許多未解之謎需要突破，簡單介紹如下。質子自旋的問題
質子本身的自旋是1/2，如果我們清楚了夸克、反夸克、膠子的成分比例，是否能夠由各種成分的自旋貢獻來組合出質子系統的自旋呢？在1967年歐洲EMC實驗組進行實驗的檢證，出乎意外地發現夸克的自旋貢獻只佔有質子自旋的1/3，這引起一連串的討論和後續的研究，想明白質子自旋組成其他的來源。根據後續對於反夸克和膠子的自旋貢獻程度，我們發現，對於夸克、反夸克和膠子自旋貢獻測量，需要延伸到更小動量比例 (x) 的區域，並加入部分子的軌道角動量的貢獻（圖五），後者意味要進一步得知夸克的橫向動量 (TMD) 、橫向位置 (GPD) 的分布情況，這樣細緻的測量已經陸續在美國BNL，JLAB和歐洲CERN實驗室進行，但因為反應截面極小，需要有新的實驗設施來取得足夠的統計數據。
圖五
質子質量的問題質子、中子和它們所構成的原子核是宇宙可見物質的質量來源，但它們的質量，除了小於1％的夸克靜止質量（希格氏場作用效應），其他部分都來自於夸克和膠子的高速運動，這是愛因斯坦質能轉換最佳的證據。目前對於膠子的動能貢獻 ─ trace anomaly效應，在理論上認為是最重要但也最缺乏具體實驗的檢證，物理學家希望能透過高速電子所產生的高能量輻射光子來與質子作用中，透過膠子交換生成J/psi或Upsilon粒子的過程來確認。
膠子密度的問題
如同先前所介紹，在極低x區域的部分子成分，主要是膠子，在x趨近0的區域，低動量膠子數量快速增加，造成極高的膠子密度，在強作用力的理論中，預測將出現膠子飽和的現象，形成color glass condensate的狀態，如果能實驗上確認這狀態存在，並作近一步的研究，將會對於強作用力如何形成強子結構的禁閉效有根本的瞭解。
基於上述三個瞭解強作用力的重要問題，美國物理學家提出興建電子離子對撞機(electron Ion Collider, EIC) 的規劃[2] （圖六），透過高質心能量的極化電子、質子或電子、核子對撞，來探索小動量比例區域的質子結構，經過多年的討論和美國國家科學院的評估[3]，美國的能源部在2020年1月宣布核定美國EIC初步推動計畫，並將加速器選址在紐約州長島的Brookhaven國家實驗室[4]，未來預計有來自30國、200個研究單位共1000位物理學家參與這個計畫[5]，初步預定在2030年完成，這將是國際核子物理界未來20年最重要的實驗計畫。目前EIC加速器規劃（圖七）[6]，是利用現有相對論性重離子對撞機RHIC設施3.8公里雙向超導加速環，其一用來最高加速30 GeV極化（最高80％）電子，另一環可用來加速極化（最高70％）質子到250 GeV或100 GeV/u的重離子，如此可以達到質量中心總能45 ~ 175 GeV極化e + p撞擊，或32 ~ 110 GeV的e + A撞擊，束流密度可高達到1033 ~ 1034 cm-2s-1，是先前德國DESY電子離子對撞機的100 ~ 1000倍的亮度，將可同時提供三個實驗組來取數。目前美國EIC計畫已經正式徵求各研究團隊的參與意向書，由中大、成大、台大和中研院所組成的台灣高能實驗團隊都表達參與這一重要的實驗計畫意願。在此同時，中國也提出興建20 GeV的極化質子束流和2.8 ~ 5 GeV的極化電子束流的CEIC計畫[7]，由於質心能量較低，研究的重點主要著重在sea夸克部分子、原子核結構和特異強子態的研究。
圖六
圖七
興建完成後的EIC將是如同具有超高分辨率的立體電子顯微鏡，提供質子內部的結構的細緻研究，透過EIC，物理學家希望更進一步瞭解質子質量的構成，質子自旋的構成和高密度膠子的性質，更對於QCD在非維擾區域的性質的確認。要成功在2030年前完成EIC的興建並非一件易事，需要有長期經費、人力投入、關鍵技術突破，這都是需要社會對於基礎科學的重視和長期支持，期待這樣努力能在人類對於物質世界的理解能夠向前推進一步。參考連結：
https://link.springer.com/article/10.1140/epja/i2017-12356-8
https://arxiv.org/abs/1212.1701
https://www.nap.edu/catalog/25171/an-assessment-of-us-based-electron-ion-collider-science
https://www.interactions.org/press-release/department-energy-selects-site-electron-ion-collider
http://www.eicug.org/
https://www.bnl.gov/eic/
https://arxiv.org/abs/2008.00102
作者：章文箴 中央研究院物理研究所 研究員