據估計，可觀測宇宙包含約 1053 公斤的普通物質，其中大部分以約 1080 個質子和中子的形式存在，它們與電子一起構成了原子的成分。但是，是什麼賦予了質子和中子質量呢？
事實證明，答案並不簡單。質子和中子由稱為夸克的粒子和稱為膠子的結合粒子組成。膠子是無質量的，質子和中子（統稱為“核子”）內部夸克的質量總和約佔核子總質量的 2%。那麼，其餘的質量從何而來呢？
這並非這些基本原子組成部分的唯一謎團。核子的自旋同樣令人費解——它們內部夸克的自旋無法解釋核子的自旋。科學家現在認為，自旋、質量和其他核子特性源於夸克和膠子內部複雜的相互作用。但是，這種情況究竟如何發生尚不清楚。理論只能告訴科學家這麼多，因為夸克和膠子的相互作用受量子色動力學 (QCD) 理論支配，而量子色動力學極其難以計算。
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為了向前邁進，我們需要新的實驗資料。這就是電子-離子對撞機 (EIC) 的用武之地。與其他原子對撞機（例如日內瓦附近的歐洲核子研究中心 (CERN) 的大型強子對撞機或美國的相對論重離子對撞機 (RHIC)，它們碰撞諸如質子和離子之類的複合粒子）不同，EIC 將使質子和中子與電子碰撞。後者沒有內部結構，成為觀察複合粒子內部的一種顯微鏡。
EIC 是美國核科學界的最優先事項之一，最有可能在美國兩個物理實驗室之一建造——長島的布魯克海文國家實驗室或弗吉尼亞州紐波特紐斯的托馬斯·傑斐遜國家加速器設施（傑斐遜實驗室）。如果獲得批准，該對撞機可能在 2030 年左右開始收集資料。該機器將能夠觀察夸克和膠子的個體自旋和質量，以及它們集體運動的能量如何結合起來產生質子和中子的自旋和質量。它還應該回答其他問題，例如夸克和膠子是聚集在一起還是分散在核子內部，它們移動的速度有多快，以及這些相互作用在將核子結合在一起形成原子核方面起什麼作用。EIC 的測量將提供大量關於物質的基本成分如何相互作用以形成可見宇宙的新資訊。在夸克被發現五十年後，我們終於站在解開其謎團的門檻上。
湧現現象
科學家們非常清楚物體是如何由原子構成的，以及這些物體的特性是如何從其內部原子的特性中產生的。事實上，我們現代生活的大部分都依賴於我們對原子、電子和電磁學的瞭解——正是這些知識使我們的汽車能夠行駛，使我們的智慧手機能夠工作。那麼，為什麼我們不瞭解核子是如何由夸克和膠子構成的呢？首先，夸克至少比質子小 10,000 倍，因此沒有簡單的方法來研究它們。* 此外，核子的特性源於夸克和膠子的集體行為。事實上，它們是湧現現象，是許多複雜參與者的結果，這些參與者的相互作用過於複雜，以至於我們目前無法完全理解。
量子色動力學是支配這些相互作用的理論，它是在 20 世紀 60 年代末和 70 年代初發展起來的。它是粒子物理學總括理論“標準模型”的一部分，該模型描述了宇宙中已知的力（引力除外）。正如帶電粒子之間的電磁力由光子或光粒子攜帶一樣，QCD 告訴我們，強力（將核子結合在一起的力）由膠子攜帶。“電荷”參與強力被稱為“顏色”（因此稱為“色動力學”）。夸克攜帶色荷，並透過交換膠子相互作用。但是，與電磁學中光子本身沒有電荷不同，膠子攜帶顏色。因此，膠子透過交換更多膠子與其他膠子相互作用。這種複雜性具有深遠的影響。相互作用的反饋迴路是 QCD 通常過於複雜而無法計算的原因。
藍色偶極磁體有助於引導電子束在 CEBAF 環路周圍加速。圖片來源：Floto + Warner
QCD 也不同於更熟悉的理論，因為強力隨著夸克彼此靠近而減弱。（在電磁學中，情況恰恰相反，隨著帶電粒子彼此遠離，力會減弱。）在核子內部足夠短的距離處，夸克感覺到的力非常小，以至於它們的行為就像是自由的一樣。戴維·格羅斯、H·戴維·波利策和弗蘭克·維爾切克因發現 QCD 的這種奇怪結果而獲得了 2004 年諾貝爾物理學獎。當夸克彼此遠離時，它們之間的力迅速增長，變得非常強大，以至於夸克最終被“限制”在核子內——這就是為什麼你永遠不會在質子或中子外部單獨找到夸克或膠子的原因。只要夸克彼此靠近並相互作用較弱，科學家就可以計算 QCD 相互作用；但是，當它們相距較遠時（在接近質子半徑的距離處），力變得太強，理論變得太複雜而無法使用。
為了進一步理解強力的量子領域，我們需要更多資訊。例如，我們對原子領域的掌握不僅來自我們對原子及其相互作用的理解，還來自我們對建立在這些基本構建塊之上的湧現現象的掌握。從我們對分子生物學基礎——原子和電磁學的瞭解來構建分子生物學是不可能的。尤里卡時刻出現在研究人員發現 DNA 的雙螺旋結構時。我們要在夸克-膠子世界中取得進展，就需要觀察原子核內部。
“看到”原子
在 20 世紀初期，物理學家發現如何透過一種稱為 X 射線衍射的過程“看到”原子。透過將 X 射線束照射到樣品上，並研究當它們穿過材料時產生的干涉圖案，科學家們可以看到其原子晶體結構。這項技術有效的原因是 X 射線的波長與原子的大小相似，這使我們能夠探測奈米（10-9 米）的原子距離尺度。同樣，物理學家在 50 年前首次在一次電子和質子碰撞的實驗中“看到”了夸克，這個過程稱為深度非彈性散射 (DIS)。
在這種方法中，電子從質子（或中子或原子核）反彈，並與之交換一個虛光子。虛光子並不完全真實——它作為量子力學（支配粒子相互作用）的結果快速出現和消失。透過仔細測量電子反衝的能量和角度，我們可以獲得有關它撞擊了什麼的資訊。
圖片來源：Ben Gilliland
DIS 實驗中虛光子的波長約為飛米（10-15 米）——質子直徑的距離尺度。碰撞的能量越高，虛光子的波長越小，波長越小，探針就越精確和區域性化。如果它足夠小，電子本質上會從質子內部的夸克之一（而不是整個質子本身）反彈，從而窺探粒子的內部結構。
第一個 DIS 實驗是當時稱為斯坦福直線加速器中心 (SLAC) 的設施的 SLAC-M.I.T. 專案。它在 1968 年提供了夸克的第一個證據——這一發現為該實驗的領導者贏得了 1990 年諾貝爾物理學獎。類似的實驗發現，自由質子和中子內部的夸克與原子核內部的夸克的行為截然不同。此外，他們發現質子和中子的自旋並非來自組成夸克的自旋，正如科學家們所預期的那樣。這一發現最初是在質子中做出的，最初被稱為“質子自旋危機”。第一個 DIS 對撞機（其中電子和質子在碰撞前都被加速）是德國電子同步加速器 (DESY) 研究中心在德國漢堡的強子-電子環形加速器 (HERA)，該加速器從 1992 年執行到 2007 年。HERA 實驗表明，我們認為的每個質子和中子內部三個夸克的簡單構型實際上可能變成一個粒子湯，其中許多夸克和膠子瞬間出現和消失。HERA 顯著提高了我們對核子結構的理解，但無法解決自旋危機，並且缺乏研究原子核中夸克和膠子行為所需的原子核束。
使這種尺度上的所有觀測複雜化的一個主要因素是量子力學的怪異性。這些規則將亞原子粒子描述為機率的霧霾：它們並非在特定時間和特定地點以特定狀態存在。相反，我們必須將夸克視為同時存在於無限數量的量子構型中。此外，我們必須考慮量子力學糾纏現象，其中兩個粒子可以變得連線起來，以至於即使它們分離後，它們的命運也會相互交織。糾纏可能會對核尺度上的觀測構成根本問題，因為我們希望觀測的夸克和膠子有可能與我們用來觀察它們的任何探針（在 DIS 的情況下為虛光子）發生糾纏。當我們發現的內容取決於我們如何探測它時，似乎不可能定義我們所說的核子結構是什麼。
幸運的是，到 20 世紀 70 年代，QCD 已經發展到足以讓科學家們弄清楚 DIS 實驗中的探針和目標可以分離——這種情況稱為因子分解。在足夠高的能量下，科學家們基本上可以在某些情況下忽略量子糾纏的影響——足以在一維中描述質子的結構。這意味著他們可以從 DIS 實驗中提取測量結果，即質子內部任何給定夸克貢獻其前向動量特定份額的機率。
最近，理論上的進步使我們能夠進一步推進，並在多個維度上描述核子的內部結構——不僅包括夸克和膠子對核子的前向動量的貢獻量，還包括它們在核子內部左右移動的量。
但真正的進步將來自 EIC。
重離子和極化質子在布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機 (RHIC) 內加速。圖片來源：布魯克海文國家實驗室
電子-離子對撞機
EIC 將製作核子內部的三維地圖。我們期望該對撞機能夠測量夸克和膠子的位置和動量，以及每個夸克和膠子對核子整體質量和自旋的貢獻量。
與之前的 DIS 實驗相比，EIC 的關鍵進步在於其亮度：例如，它每分鐘產生的碰撞次數將比 HERA 多 100 到 1,000 倍。此外，EIC 中碰撞束的高能量將解析質子直徑的百分之幾的距離，使我們能夠研究大量夸克和膠子各自攜帶質子前向動量的約 0.01% 的區域。EIC 還將使我們能夠控制其束中粒子自旋的對齊方式，以便我們可以研究質子的自旋如何從夸克和膠子的 QCD 相互作用中產生。當結合到我們現代的理論框架中時，EIC 的測量將使我們能夠建立質子在夸克和膠子方面的真正 3-D 影像。
我們有許多問題希望探索：例如，質子的組成部分是否均勻分佈在質子內部，還是它們聚集在一起？是否有些組成部分比其他組成部分對粒子的質量和自旋貢獻更大？夸克和膠子在將質子和中子結合在一起形成原子核方面起什麼作用？這些難題才剛剛開始在飛米尺度上的現有設施中進行探索。EIC 是第一臺將引導我們找到完整答案的機器。
在我們對核子結構的理解中，最大的未知數之一是當我們使用極其精細的探針在非常小的尺度上觀察這些粒子時會發生什麼。在這裡，奇怪的事情開始發生。QCD 預測，當您以越來越高的能量探測時，您會發現越來越多的膠子。夸克可以輻射膠子，而這些膠子又可以輻射更多的膠子，從而產生連鎖反應。奇怪的是，導致這種膠子輻射的不是測量行為，而是量子力學的怪異性告訴我們質子的內部是不同的——膠子數量更多——您看得越近。
然而，我們知道這不可能是整個解決方案，因為那將意味著物質在無限增長——換句話說，原子會擁有無限數量的膠子，你越靠近看它們。以前的對撞機，包括 HERA，已經看到了“飽和”狀態的暗示，在這種狀態下，質子根本無法容納更多的膠子，一些膠子開始重組，抵消了增長。物理學家從未明確檢測到飽和，我們也不知道飽和發生的閾值。一些計算表明，膠子飽和形成了一種新型物質狀態：一種具有非凡特性的“彩色玻璃凝聚體”。例如，膠子的能量密度可能達到中子星內部能量密度的 50 到 100 倍。為了達到儘可能高的膠子密度區域，EIC 將使用重原子核而不是質子來檢測這種引人入勝的現象並對其進行詳細研究。
建造 EIC
新對撞機的計劃得到了美國核科學界最近一次（2015 年）長期規劃會議以及美國能源部的強烈認可，美國能源部於 2017 年要求美國國家科學、工程和醫學院 (NAS) 對 EIC 進行獨立評估。2018 年 7 月，NAS 委員會發現 EIC 的科學案例具有基礎性、令人信服性和及時性。
建造這臺機器有兩條可能的途徑。一種是升級布魯克海文的 RHIC。該計劃被稱為 eRHIC，將在現有 RHIC 加速器隧道內增加一個電子束，並使其在兩個不同的點與 RHIC 的離子束之一碰撞。
另一種可能性是使用傑斐遜實驗室連續電子束加速器設施 (CEBAF) 的電子束。在稱為傑斐遜實驗室 EIC (JLEIC) 的設計下，CEBAF 束將被引導到一個將在隔壁建造的新對撞機隧道中。
這些設施中的任何一個都將使我們對 QCD 的理解向前邁出一大步，並最終實現核子和原子核內部的視覺化。任何一個都應該使我們能夠解決迄今為止一直困擾我們的自旋、質量和核子的其他特性問題。任何一個都將有能力碰撞多種原子核，包括重金、鉛和鈾，這將使我們能夠研究當夸克和膠子的核子成為較大原子核的一部分時，它們的擴散如何變化。例如，我們想知道是否有些膠子開始重疊並被兩個不同的質子“共享”。
飛米技術？
在 21 世紀，原子的大小本身就是我們技術中的限制因素。在沒有重大突破的情況下，10 奈米（約 100 個原子寬）的長度可能是電子部件能達到的最小尺寸，這表明傳統計算能力在未來不太可能以超過 50 年的速度發展。
然而，核子及其內部結構存在於小一百萬倍的尺度上。支配這個領域的強力大約比驅動當前電子裝置的電磁力強 100 倍——事實上，它是宇宙中最強大的力。是否有可能創造出透過操縱夸克和膠子來工作的“飛米技術”？透過某種衡量標準，這種技術將比當前的奈米技術強大一百萬倍。當然，這個夢想是對遙遠未來的猜測。但是，要實現這一目標，我們首先必須深入瞭解夸克和膠子的量子世界。
EIC 是世界上正在考慮的唯一可以提供理解 QCD 所需資料的實驗設施。然而，建造 EIC 並非沒有挑戰。該專案必須在很寬的能量範圍內提供非常明亮且高度聚焦的電子束、質子束和其他原子核束，以產生比 HERA 對撞機多 100 到 1,000 倍的每分鐘事件數。自旋研究要求該機器提供自旋最大程度對齊且可以控制和操縱的粒子束。這些挑戰將需要創新，這些創新有望改變加速器科學，不僅造福於核物理學，而且也造福於未來研究醫學、材料科學和基本粒子物理學的加速器。
*編者注（2019 年 5 月 23 日）：這句話在釋出後經過編輯。它最初說核子比質子小至少 10,000 倍。