第一个DIS实验最早发生在德国电子同步加速器研究所（DESY）的强子-电子环形加速器HERA上。科学家们进行电子和质子对撞实验。HERA装置位于德国汉堡，从1992年一直运行到2007年。其实验结果虽然促进了我们对核子结构的理解，但还是没有解决 “自旋危机”。并且，由于HERA装置没有重离子束流，从而也不能研究原子核中的夸克和胶子的行为。
图：强子-电子环加速器HERA，位于德国汉堡。
就像医生通过CT对人体三维成像一样，为了彻底搞清楚夸克和胶子世界的物理问题，我们需要超级显微镜来观察质子的内部结构和运动规律，也就是——电子离子对撞机。
电子离子对撞机
电子-离子对撞机（Electron Ion Collider, EIC）是一种大型粒子加速器，用没有内部结构的电子轰击质子和更重的原子核，探索核子和原子核的内部夸克和胶子的结构及它们之间的相互作用。EIC对撞机的一个优势是其能量比较高，从而可以更加清晰地看到质子内部结构：质子本身的百分之一到万分之一尺度的结构。
被视为“超级多维电子显微镜”的EIC，将使我们获得第一张用夸克和胶子描绘的核子内部世界的高清、三维图像，最终形成我们对可见宇宙的全新理解。宇宙深处的神秘面纱将被揭开。
建造电子离子对撞机
科学家们正在提出新计划：建造电子离子对撞机。
建造EIC是国际高能核物理界的最优先研究计划之一。目前，国际核物理界已基本形成共识：EIC是研究核子、原子核内夸克胶子分布的最有效装置。美国和欧洲都正在计划建造高能电子离子对撞机。
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上的重要性：“核子质量如何产生等重大科学问题需要一个有高度极化的电子和离子束流的EIC，这个EIC还要有足够高的亮度以及足够的并且可调的质心系能量。这样一个EIC装置将是世界上独一无二的装置。”
在中国，科学家们也提出了建造中国电子离子对撞机的计划。基于我国2050年大科学装置发展路线图的规划，由中国科学院近代物理研究所最早于2012年主导提出，在强流重离子加速器装置(HIAF，已于2018年底在广东省惠州市开工建设)的基础上，添加一条新的电子束流，建成电子束流和质子/重离子束流均极化的中国电子离子对撞机(Electron Ion Collider in China, EicC)。
图：EicC装置设计图
EicC白皮书已在《核技术》在线发表
探针尺度由对撞机的能量决定。EicC的探针尺度大约在质子的百分之一到千分之一左右，是研究海夸克的最佳区域。EicC建成后，将是世界上第一台运行于海夸克能区的极化电子离子对撞机。
EicC的主要物理目标包括海夸克一维和三维结构的精确测量，原子核结构与性质、奇特强子态和质子质量起源等重大基础科学问题的研究。相信更广泛、更深入的物理目标还会被不断地提出来。
中国EicC和美国EIC主要有什么不同呢？
能量和物理目标不同。EicC能量位于正在运行的美国杰斐逊实验室(JLab)装置和未来高能EIC之间的空白区。三大装置的物理目标相互补充：EicC主要研究海夸克结构，而美国EIC集中于胶子物理研究，目前正在运行的杰斐逊实验室则主要研究价夸克结构。图：EIC将物质结构研究从价夸克推进至海夸克和胶子层次
展望
电子离子对撞机是目前世界上可提供数据，供科学家最大限度地理解QCD理论的唯一被考虑建设的实验装置。但是，建造电子离子对撞机对加速器和探测器等技术提出了巨大的挑战，这些挑战将有望促进加速器科学的发展。这将不仅使核物理学科受益，也将推动未来医学、材料学和芯片工业的发展。
电子离子对撞机的建造与运行，将使核物理的研究迎来一个新的时代。我们期待大批年轻人投入到这项探索核物质结构最前沿的基础研究中去。
致谢：感谢中国极化电子离子对撞机工作组的专家们，特别感谢南京大学王凡教授为本文提出许多很有价值的意见和建议。
主要参考文献：
1. 《中国极化电子离子对撞机计划》，2020. http://www.j.sinap.ac.cn/hjs/CN/Y2020/V43/I2/200012. Electron Ion Collider: The Next QCD Frontier Understanding the glue that binds us all, arXiv:1212.1701.3. 美国国家科学院《美国电子离子对撞机科学评估报告》来源：中国科学院近代物理研究所
编辑：小林绿子
发表于 2020-3-29 00:01
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