质子质量怎么算（探讨质子的半径之谜）

可知原子包括原子核与电子，原子核通常包括质子与中子。质子是用胶子组成的较小夸克，胶子象胶水那样将夸克捆住。

令人吃惊的是夸克在质子与中子的质量中所占比例非常之小，而胶子在宇宙中可见到的物质质量中可能超过90%.这究竟是为什么呢？另外，夸克与胶子之间如何相互组织还鲜为人知。

现在有希望破解这些问题的武器就要问世了。

美国能源部1月9日宣布：在美国纽约州阿普顿布鲁克海文国家实验室建成电子离子对撞机。

这种大型科学装置设计与建造需要十年时间，耗资估计为16亿～26亿人民币，美国国会每年拨出一定经费。

EIC会以电子轰击质子及高偏振光束，它的高光度与高偏振光束会带动粒子加速器科技发展的最前沿，并深化人们对于原子核基础构件及其功能的认识。

美国能源部（EIC）部长丹·布罗列特（Dan Brouillette）说, EIC保证了美国在高能物理和加速器技术方面走在前列，整体显示了美国在科学和技术方面的领导。他表示：“美国正在迎来革新的黄金时期。我们期待着伴随着EIC走向下一个发展阶段, EIC不但能保证美国核物理领域领导地位的提升，同时针对EIC研发的科技也能支撑可能出现的重大突破，从而关系到人类健康，国家竞争力以及国家安全等问题。

美国国家科学院（EIC）国家研究委员会（NRC）提出设计与施工建议，美国联邦核科学咨询委员会（FASC）予以批准。

美国能源部科学处处长克里斯·法尔（Chris Fall）博士相信能源部对EIC能够登陆布鲁克海文国家实验室感到非常高兴，但是要想成功还要依靠能源部实验室体系中其它部门的加入。

美国能源部透露弗吉尼亚州纽波特纽斯托马斯·杰斐逊国家加速器设施（EIC）将成为EIC重要伙伴，另有多个实验室可望在EIC建设及核物理研究项目中作出贡献。

美国能源部称, EIC会改变国际核物理界游戏规则，期待着同国际合作伙伴就EIC作出何种贡献展开对话。

上海李政道研究所研究者季向东（Phys·Rev·Lett, 1995）提出质子质量问题。74年（1995年10月71日），十多年来他一直参加EIC的引进与论证工作，我刊曾就该项目有关问题及美国高能物理发展等方面对其进行过采访。

EIC设计示意图,图源https://www.bnl.gov/ cooperation to develop happy families takes years

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《知识分子》：首先，请您简单介绍一下电子离子对撞机工程概况？

季向东（以下简称季）：该计划实际上已推进了十多年，作者一直在参加科学讨论，从最初的提案、美国核科学委员会（NSC）计划、美国科学院（AAS）论证、科学院最终报告等都是如此。

其形成与美国物理发展趋势、未来大科学装置计划很相关。美国核物理年投入约六七亿人民币。美国能源部有关核科学的大型科学装置共有3个，分别位于托马斯·杰斐逊实验室（Thomas Jefferson）和美国密歇根州立大学（密歇根州立大学）；第3个位于长岛布鲁克海文国家实验室（布鲁克海文实验室）。

接下来将要搭建的这台对撞机主要用于电子与质子之间，重离子之间的对撞，并研究质子与原子核内胶子与夸克之间的构造，尤其要弄清质子，中子质量如何来源？（物质主要从他们那里获得质量）自旋如何产生？（医学中磁共振使用质子自旋。）

我们知道原子核与质子，中子之间的质量基本上都是因为夸克与胶子之间存在着强烈的相互作用，这种相互作用只是一种粗略的形象，但它的细节，究竟如何产生以及什么样的物理过程能够产生质量我们却并不十分了解。

其实，这类问题陆陆续续已经研究半个世纪，但至今尚无最适合的大科学装置专门用于这类领域。

《知识分子》：这一工程有什么好处？

季向东：第一，这是对撞机而非固定靶子（通过加速器将质子或电子加到高能，再利用这些高能粒子打在靶上，撞在靶子上的夸克上，称为固定靶实验；使两束高能粒子迎着撞在一起，称为对撞机）

两方面不同是对撞机能量远高于固定靶实验，能在质子中观察到胶子。胶子由于没有通电，所以透过他们极高能量的量子涨落才得以被观察到。为什么会选择对撞机呢？

但是对撞机也存在着很重要的困难，即高亮度是很难实现的。以德国HERA对撞机为例，其亮度，仅为10次31方。目前需要制造的对撞机亮度是以前的100-1000倍，这对加速器技术来说仍然是一个很大的挑战。象这样的加速器就能量而言并不最高，但就亮度而言却处于该能区最高（对撞机试验中不仅两束流中粒子数目较多而且必须使粒子集中于尽可能小的横截面积进行对撞即要求束流具有尽可能大的亮度）。

《知识分子》：建造如此庞大的设备，投资超过20亿美元，去研究非常基本的课题？

季向东（以下简称季）：美国十分注重基础科研，因为这类科研在实践中基本没有什么用处。除某些加速器和有关技术外，从科学中获得的结果，可能在短时间内没有用。但花费这么多资金建造这样一台对撞机却显示了对于基础科学研究之重视。

“知识分子”：工程中还提到对加速器技术及组件来说，芯片制造测试，癌症治疗和药物医疗的潜在益处还列举了其中的几项。您认为它对促进这些方面的发展是否有效？或者仅仅是些宣传？

季向东（以下简称季）：我觉得二者兼有。我想这些效用可能不是完全要靠这种投资才能开发出来的，它将是间接地促进。但是从另一个角度讲是要培养出一大批人才来，许多从事基础研究工作的人都要往这里流，如国防，医疗等，也有高技术领域。

因此，我们会发现，有时研究投入并不属于那种直接目的，而只是通过这样前沿科学项目来造就了很多人，笔者认为在这一领域仍有借鉴意义。

《知识分子》：全程您提一下，从一开始就有创意，至今已经有十多年的历史了，这种时间消耗很平常吗？

季向东：其实也是个很平常的人。事实上，科技部门某中心曾让笔者谈谈这一重大科学项目的情况，笔者还特意作了些准备。当时说完之后，曾经想将这次参加工作的体会写出来作一简介，这对于我们科学地进行决策亦有重要借鉴意义。

《知识分子》：最终决定建造在布鲁克海文的实验室里，以前是否还有别的实验室相互竞争？

季向东（以下简称季）：杰斐逊实验室是个长期争夺的机构，其实这个争夺过程延续了4-5年，这两个实验室各出各的计划，而且还有自己的加速器团队和实验团队分别对其设计给出原因，当然这两个实验室各有各的计划，计划差别很大。最终选择布鲁克海文这句话，个人感觉仍然是个不错的疡，因为历史上曾经出过几次诺奖，并且它们在项目管理、科学水平等方面都还有些优势。

但是从另一角度看，杰斐逊实验室由于熟悉质子结构的研究、有关物理在国际上始终处于领先地位、对布鲁克海文来说还是个全新的课题，所以杰斐逊实验室同样具有它们的长处。另外杰斐逊实验室在南方也仅此一家，因此总体来说，还具有一定竞争力。最终他们选了布鲁克海文。在科学方面我认为很不错。

《知识分子》：EIC会改变国际核物理界游戏规则美国能源部的报告中有句话:EIC怎么理解？是不是言过其实？

季向东（以下简称季）：我认为美国的抉择还带有某种前瞻性。国际上如象中国一样正在考虑电子离子对撞机，而欧洲则借助其大型强子对撞机曾考虑向此发展。但由于美国对这一问题已思考十多年，人才队伍还相当庞大，美国人的思考也许会更加成熟。

而这最终所选方法，在能区与亮度上，也相对优化。极有可能成为今后30年内该领域的领先者。因此，笔者认为也并非吹牛之说，而是更为中肯的提法。

《知识分子》：该计划是否还要得到美国能源部另一个实验室的协助？

季向东（以下简称季）：这就比较好理解了，由于布鲁克海文加速器技术还算可以，但是也有别的技术它不一定最优秀，就需要别的实验室去开发些技术，比如杰斐逊实验室超导高频腔要做到全球最优秀，就用它们来生产。其探测器，极有可能是由别的实验室制造出来。探测器本身就是一项巨大的投资，极有可能拥有两台探测器。

因此，虽然大型机器将在此制造出来，但是工程里头还有许多零件，仍然可能需要别的实验室去负担，可能以免别的实验室倒闭，或别的研究队伍损失掉。

《知识分子》：能源部提还要有国际团队，那是必须的吗？

季向东（以下简称季）：在国际合作中，这也许不是一个关键的因素，主要有以下几方面的原因：首先我认为美国能源部的计划，不要求国际上必须投入一定比例的资金，计划才能向前推进。即便别国没有花钱，美国能源部仍将力主。

二、在当前国际大环境下，连基础研究也不例外，美国人更愿意让其他国家加入进来，其中就如外国人目前准备来美国的国家实验室工作一样，难度也愈来愈大。因此，我认为大科学项目固然需要国际间的合作，但在目前，能发挥多大的作用或对其寄予多大的期望，恐怕是相当局限的。

《知识分子》：这种科学目标在国际范围内还有什么实验竞争么？

季向东：不知道。有些固定靶的试验，本来在德国做过，但是没有一个是如此过于专门化，没有针对这类问题开发订制的试验设备，因此结果是含糊其辞。笔者认为，与上述问题一样，国际上的竞争也应不会太激烈。我国EICC已有方案能区各异，物理目标各异。

《知识分子》：质子中除夸克外，胶子的质量也占了一定的比重，质子质量之谜的难题很难破解吗？

季向东：关于强相互作用的问题，尽管我们有个叫做量子色动力学（QCD）的基础理论，但是这一理论太难。本人长期从事量子色动力学（QCD）理论研究，实际上质子质量研究这一课题早在1995年就已被本人提出。但至今我们还没有很好地解说强相互作用力的原理。

目前许多工作已由大型计算机（称为格点规范或量子场论理论）求解，这一领域美国已有不少进展。这些工作在我国也有所涉及，但是相对较少，有必要推进在我国开展大规模计算机模拟。但在计算的同时也需要实验数据的支持，这是因为这一科学问题的确存在一定的难度。

质子的发现已有百年的历史，但是它的结构问题至今仍悬而未决。希望能从实验上进一步提供数据帮助大家了解到底强相互作用如何产生质子中子。

《知识分子》：这台对撞机要用几年时间才能完成？

季向东（以下简称季）：能源部今年已经投入1100万元做好前期工作，相信每年都要继续加大，这是一个很漫长的过程。据笔者测算，其全部施工可能需要十年时间，一期工程投资约需5-8亿元。

《知识分子》：它什么时候能拿到资料，应该在十多年后？

季向东（以下简称季）：我觉得应该需要十年的时间，2030年的时候希望能得到实验数据。