学术事务副校长高海燕教授参与美国建造新一代高能电子-离子对撞机可行性研究

2018年10月22日
学术事务副校长高海燕教授参与美国建造新一代高能电子-离子对撞机可行性研究

昆山杜克大学学术事务副校长、美国杜克大学亨利·纽森物理学教授高海燕最近参与了由美国国家科学、工程及医药学院(National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine)主导的一项研究,该研究探讨了在美国建造新一代高能电子-离子对撞机(electron ion collider, EIC)的重要意义。

电子-离子对撞机是一种大型粒子加速器。该研究认为,在美国建造电子-离子对撞机不仅能够增进对构成宇宙中所有可见物质的原子核的理解,而且还能够对美国以科技驱动的经济带来深远的益处。

美国国家科学、工程及医药学院是一所非营利机构,就美国和世界所面临的一些最紧迫的问题与挑战提供专家学者建议。应美国能源部的要求,美国国家科学、工程及医药学院组织了包括杜克大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校和其他高等教育和研究机构的物理学家在内的专家委员会,共同研究电子-离子对撞机的科学重要意义,以及在美国建立电子-离子对撞机将产生的国际影响。

作为专家委员会的15名成员之一,高海燕教授在过去一年多的时间里参与了这项可行性研究,并为最终报告做出了贡献,特别是在核子的三维结构以及美国JLab-12、中国的EicC计划和日本质子加速器研究复合设施(J-PARC)的强子实验设备等国际现状分析方面。

高海燕教授指出,高能核物理与粒子物理学有两个前沿,即高能前沿和强度前沿。前者旨在产生越来越高的能量,而后者则力求达到越来越高的精度。高海燕教授认为,这两种方法是互补的,都应该加大力度研究。

高海燕教授说:“科学全在于新的发现,有时一个为零的结果本身就是一个发现。追求高强度前沿或高能量前沿往往会产生技术突破和创新,这些技术突破和创新常常可以应用于造福整个社会。"

研究报告显示,新一代高能电子-离子对撞机可以让科学家们研究夸克和胶子等微小粒子在质子和中子中的分布,以及它们是如何运动、彼此相互作用的。

电子-离子对撞机将为以下关键问题的研究提供答案,包括质子质量的起源、中子和质子(核子)自旋的起源(这是磁共振成像得以实现的基本特性)、胶子如何将核子结合在一起,以及是否存在由致密胶子(dense gluons)构成的新物质态。

这台电子-离子对撞机将是有史以来最先进的同类型粒子对撞机。类似的计划在中国和欧洲也有讨论,但目前远没有规划到如此先进的程度,也无法充分研究同样的科学问题。

研究报告还指出,随着核科学的发展,电子-离子对撞机也将有利于其他科学研究领域的发展,如天体物理学、加速器物理学、理论和计算建模等。此外,电子-离子对撞机的建设和运行过程也将极大地推动技术的向前发展。

高海燕教授指出:“对美国来说,电子-离子对撞机的建造会在很多方面产生重大影响,包括科学发现、技术创新和人才培养。”

不同于其他科学领域,高能核物理和粒子物理的发展依赖于大型科学设施。在过去的几十年里,欧洲、美国、中国和日本已经建造了自己的对撞机。尽管对撞粒子或质心能量不同,这些现有的对撞机都有助于探索物质的基本结构,加深我们对宇宙的理解,并有可能为未来的技术提供动力。

例如,大型强子对撞机(Large Hadron Collider, LHC)是全球最大、能量最高的粒子对撞机,由欧洲核子研究中心(European Organization for Nuclear Research, CERN)在1998年至2008年间建造。通过碰撞质子和重建最终态粒子,2012年,欧洲核子研究中心宣布发现了众多物理学家倾注多年心血寻找的希格斯玻色子(Higgs boson),也就是所谓的“上帝粒子”,可以赋予其他基本粒子以质量。这项发现随后获得了2013年诺贝尔物理学奖。

受欧洲核子研究中心成功证实希格斯玻色子存在的启发,来自中国、日本和欧洲的物理学家已经提出建造自己的下一代对撞机。

中国科学院高能物理研究所是中国对撞机项目的主要推动机构,已于2016年6月完成了超级巨型粒子对撞机的初步概念设计。该项目可能会于2020年获得大笔国家科研资金,推动下一步的发展。