量子色动力学的色规范场

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在a大时g的值大，应当用强耦合展开，即展开成的幂级数。在强耦合极限下证明了非交换群格点规范理论中两个色荷之间的力线聚集成弦，因而有色禁闭。为证明连续理论有色禁闭还需要证明在耦合由强变弱时色禁闭的性质不消失。在电子计算机上用蒙特－卡罗法。对格点数不多的点阵进行研究的结果表明，对于一段中间的g值计算结果可以同时与色禁闭的弦和连续理论的渐近自由微扰展开式一致。这个结果支持连续时空的规范理论有色禁闭的性质。格点规范理论的研究没有发现在 g变小的过程中存在解除色禁闭的“相变”。虽然如此，连续时空规范理论的色禁闭还只是一种有某些根据的猜测，这是量子色动力学中还存在的一个基本问题。至于强子谱的研究更是处于开始的阶段。

美国对撞机开建，破解质子质量之谜

1932年，英国物理学家詹姆斯·查德威克在剑桥大学进行了一系列的实验，以α粒子轰击硼-10原子核得到氮-13原子核和一种新射线，证明伽马射线假说站不住脚。他提出这种新辐射是一种质量近似于质子的中性粒子，并设计了实验证实了他的理论。这种中性粒子被称作中子。

中子的结构被证明：中子β衰变证明有下夸克，并会放出电子及中微子变为上夸克

中子能连接质子组成原子核，若无中子原子核会因质子彼此间正电斥力而瓦解，那原子也不存在了。质子的结构被证明：

中子的强核力可拉住同为正电荷的质子组成原子核。

中子可撞击铀原子核,使之分裂,造成原子弹爆炸。

中子可制造核武器中的中子弹。

中子β衰变图 ?

图中＋－号代表不可分割的最小正负电磁信息单位-量子比特（qubit）

（名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源图于比特 It from bit

量子信息研究兴盛后,此概念升华为，万物源于量子比特）

注：位元即比特

宇宙为什么没有单独存在的夸克，强行将夸克拉出来会怎样？

撰文 | 邸利会（知识分子主笔）

责编 | 陈晓雪

我们知道，原子由原子核和电子组成，而原子核一般由质子和中子组成。质子由更小的夸克和胶子构成，胶子像胶水一样把夸克绑在一起。

令人惊奇的是，夸克只占了质子和中子质量的很小部分，胶子可能占了宇宙可见物质质量的90％以上，这是为什么？此外，对于夸克和胶子是怎么互相组织的，我们也知之甚少。

如今，有望解决这些疑问的利器即将诞生。

1月9日，美国能源部宣布：将在纽约州阿普顿的布鲁克海文国家实验室，建造一座电子离子对撞机（The Electron-Ion Collider, EIC）。

这一大科学装置的设计和建造将用时10年，花费预计在16亿至26亿美元，由美国国会每年拨款。

EIC会用电子轰击质子和更重的原子核，其高光度和高偏振光束将推动粒子加速器 科技 的前沿，加深对原子核基础构件和它们之间作用的理解。

美国能源部部长 Dan Brouillette 表示， EIC将确保美国处于高能物理以及加速器技术的前沿，总体上展现美国科学的领导力。他说，“美国正处于创新的黄金时代，我们期待与EIC相伴迈向下一步。EIC不仅将确保美国在核物理领域的领导地位，而且为 EIC所开发的技术还将支持潜在的巨大突破，影响人类 健康 、国家竞争力和国家安全。”

EIC的设计和建造是由美国国家科学院的国家研究委员会提议的，并得到了美国联邦核科学咨询委员会的认可。

美国能源部科学部主任 Chris Fall 博士认为，能源部很高兴EIC能在布鲁克海文国家实验室落地，但要取得成功还有赖于能源部实验室系统其他部门的参与。

美国能源部披露，弗吉尼亚州纽波特纽斯（Newport News）的托马斯·杰斐逊（Thomas Jefferson）国家加速器设施将是EIC的主要合作伙伴，而其他几个实验室也有望为EIC的建设和核物理研究计划的实施做出贡献。

美国能源部表示，EIC将改变国际核物理界的 游戏 规则，并期待与国际合作伙伴为EIC做出怎样的贡献进行对话。

上海李政道研究所学者季向东，在1995年就提出了质子质量的问题(Phys.Rev.Lett. 74 (1995) 1071)，十几年来，他参与了EIC的提出和论证，本刊就该项目的相关问题以及美国高能物理的发展对他做了访谈。

INTERVIEW

《知识分子》： 请先简要介绍下电子离子对撞机项目的总体情况？

季向东： 这个项目其实已经推动有十几年了，我一直参与科学讨论，包括一开始提出的建议，美国核科学委员会的规划，到美国科学院的论证，到最后的科学院报告的最终通过。

它的形成跟美国物理的走向，将来的大科学装置的规划非常有关系。美国核物理每年的投资大概是六、七个亿美元。美国能源部与核科学相关的有三个大的科学装置，一个在托马斯·杰斐逊实验室，还有一个是在美国密歇根州立大学，第三个就是在长岛的布鲁克海文国家实验室。

下一步要建造的这个对撞机，主要是用来进行电子和质子，以及重离子的碰撞，研究质子和原子核的内部的胶子和夸克的结构，特别是了解质子、中子的质量是怎么起源的？（物质的质量主要来自它们）自旋是怎么形成的？（医疗上的磁共振利用的就是质子的自旋）

我们知道原子核和质子、中子的质量主要是夸克和胶子有强相互作用而引起，这只是个大致的图像，但是其中细节、具体是怎么发生的，是怎样的一个物理过程能产生质量，我们还不是很清楚。

实际上这些问题陆陆续续也研究了半个世纪了，但是还没有一个最合适的大科学装置，专门来做这些方面的研究。

《知识分子》： 这个项目的优势在哪？

季向东： 首先它是一个对撞机，而不是一个固定靶子的实验装置（把质子或者电子用加速器加到很高的能量，然后用这些高能粒子去打靶，撞击靶子里的夸克，叫固定靶实验；让两束高能粒子迎头对撞，叫对撞机实验）。

两个的区别就在于对撞机的能量要比固定靶实验的能量要高很多，可以看到质子内部的胶子。胶子因为不带电，通过它们非常高能的量子涨落才能看到，这是选择对撞机的原因。

但对撞机有一个非常重要的难题，就是高亮度很难做到。比如德国HERA对撞机的亮度，只有10的31次方。现在要造的对撞机要比过去的亮度高100到1000倍，在加速器技术上还是存在非常大的挑战。像这样一个加速器，从能量上来讲不是最高的，但是从亮度上来讲在这个能区是最高的（在对撞机实验里面，不但两个束流的粒子个数要多，还得让它们聚焦在尽量小的横截面积内对撞，也就是说需要束流有尽量高的亮度）。

《知识分子》： 建这么大的装置，有20多亿美元的投入，研究一个很基础的问题？

季向东： 美国对基础科研是非常的重视，因为这样的研究在实际生活中基本上没啥用。除了一些加速器以及相关技术以外，科学上得到的成果，在短期内也许是毫无用处。但是花那么多钱去造这么一个对撞机，就说明对基础科学研究的一个重视的程度。

《知识分子》： 项目也提到对于加速器技术和部件，芯片制造测试、癌症治疗、药物医疗等潜在好处也罗列了一些。你觉得对于推动这些领域有作用吗？还是只是一些宣传？

季向东： 我认为两者都有。我觉得这些用处也许并不完全需要这样的一个投入来去发展，会是一个间接的推动。但另一方面就是会培养大量的人才，很多搞基础研究的人会流向，比如说国防、医疗、还有一些高技术领域。

所以，可以看到有时候研究投入不是那种直接目标的，而是通过这么一个前沿的科学项目培养出好多人才，我觉得这方面还是值得学习的。

《知识分子》： 整个过程你提到，从最初提出想法，到现在经历了十几年，这是个正常的时间花费么？

季向东： 这是一个正常的。其实， 科技 部门的一个中心曾经要我去讲过这个大科学项目，我也专门做了一些准备去讲。当时讲完了以后，我曾想把这个参与的经历写成一个介绍，对我们的科学决策也是一个重要的参考。

《知识分子》： 最后确定建在布鲁克海文实验室，之前有没有其他实验室竞争？

季向东： 杰斐逊实验室一直是一个竞争的单位，实际上竞争过程已经持续了四五年，两家都出了自己的方案，也都有他们的加速器团队、实验团队各自为自己的设计提出理由，当然两家也各有所长，方案也非常不一样。最后选了布鲁克海文的话，我个人觉得还是一个非常好的选择，因为它在 历史 上出了好几个诺奖，而且他们在项目管理和科学水平上还是有一定的优势。

但从另外一个角度讲，杰斐逊实验室也有他们优势，因为它对质子结构研究非常熟悉，相关的物理一直是世界领先的，而对于布鲁克海文则是一个新的项目。此外，杰斐逊实验室是南方唯一的实验室，所以整体上，它还是有一定的竞争力的。最后他们选择了布鲁克海文，从科学上我觉得是一个非常好的选择。

《知识分子》： 能源部报道有一句话说，EIC将改变国际核物理界的 游戏 规则，这个如何理解，是夸大的一个说法吗？

季向东： 我觉得美国的选择还是具有一定的前瞻性。国际上比如说像中国也在考虑电子离子对撞机（EicC），欧洲借助于他们的大强子对撞机也曾经考虑要往这个方向走。但是美国的考虑可能更成熟，因为美国在这方面已经考虑了十几年了，而且人才队伍还是比较大的。

而且这个最后选择的方式，能区和亮度，都是比较优化的。它很可能在未来30年，在这个领域是领先的。所以，我觉得也不是一个吹牛的说法，是一个比较中肯的表述。

《知识分子》： 这个项目还需要美国能源部其他实验室的帮忙？

季向东： 这个比较容易理解，因为布鲁克海文的加速器技术还是不错的，但还有一些其他的技术它不见得是最好的，所以需要其他实验室研发的一些技术，像杰斐逊实验室的超导高频腔应该是世界上做的最好的，所以会利用他们的产品。它的探测器，很可能会用其他实验室来造。探测器本身也是一个很大的投入，很可能会有两个探测器。

所以，尽管大的机器会在这里造，但项目里头有很多部件，还是可能要其他实验室来承担，也许避免其他实验室关门，或者其他的研究队伍的流失。

《知识分子》： 能源部提到说也需要国际团队，这是不是一个必要的？

季向东： 国际合作方面可能不会是个关键因素，有几个原因：第一，我觉得美国能源部这个项目，它并没有要求需要一定有多少百分比的国际投入，这个项目才往前推动。即使其他国家不出钱，美国能源部也会推动。

第二，在现在的国际大环境之下，即使是基础研究，美国越来越不太愿意要别的国家参与，包括像外国人现在要到美国国家实验室去参加工作的话，越来越困难。所以我觉得大科学项目当然需要国际合作，但是现在，能起多少作用，或者它有多少期待，可能比较有限。

《知识分子》： 这样一个科学目标，国际上有其他的实验竞争吗？

季向东： 没有。有一些固定靶实验，原来在德国也有一些实验，但都不是那么太专门化的，不是为这种问题研制定做的实验装置，所以最后都比较模棱两可。我觉得像这些问题，来自国际方面的竞争应该不是太强。中国EICC现有的方案能区不一样，物理目标也不同。

《知识分子》： 质子里除了夸克，胶子质量占到90%，质子质量之谜这个问题很难解决？

季向东： 对于强相互作用，虽然我们有一个基本理论，叫量子色动力学，但这个理论太难了。我一直是研究量子色动力学理论的，其实研究质子质量的问题是我1995年提出来的。但是，到现在为止，我们并没有一个非常好的方式来解说强相互作用力是怎么工作的。

现在很多的工作都是用大型计算机来进行解决（叫格点规范理论或量子场论），这方面在美国也是有很多的发展。这些工作国内也有但相对比较少，我们需要推动在国内大型计算机模拟的工作。但是除了计算以外，还需要有实验数据来进行佐证，因为这个科学问题确实是比较难。

质子已经发现100年了，但其结构问题到现在为止还未解决。希望通过实验，能够提供更多的数据，来帮助我们理解究竟强相互作用是怎么创造出质子中子的。

《知识分子》： 这个对撞机的建造会持续多少年？

季向东： 今年能源部投资了1100万美元，做前期的工作准备，我想每年会不断的增加，是一个长期的过程。我估计它整个的建设也许要10年，首期工程投资大概需要5-8个亿。

《知识分子》： 它何时可以获得数据，应该是十几年以后的事了吧？

季向东： 我想应该要10年，到2030希望能够有实验数据。

在很长一段时间里，科学家都认为中子和质子不可再分，1964年，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的，中文就是我们常说的夸克。

它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“向麦克老大三呼夸克（Three quarks for Muster Mark）”。

截止目前为止，科学家共发现了12种味（(味指一种基本粒子的种类)夸克，包括上夸克 (u)、下夸克 (d)、奇夸克 (s)、粲夸克 (c)、底夸克 (b)、顶夸克 (t)，及它们对应的 6 种味反粒子。

夸克还具有三种“色”的特性，因为在重子由 3 个夸克组成的图像上明显存在 着“自旋和统计对称性之间的矛盾”。并且要正确解释π介子衰变到双光子的衰变几率和 高能 + ?湮灭到各种强子的总截面都需要乘上因子“3”，所以为解决这个因子的问题，重新引入了一个量子数。这个新的量子数称为“颜色”。

色与粒子的电荷呈类比关系，分别是红、绿和蓝。夸克的“色”与视觉上的色彩无关，而仅仅是对于一种表现上几乎不超过原子核大小范围的性质的一项奇特名称。“色”这个词单纯是因为色的电荷有三种类型，类比于三原色，它形象地比喻夸克本身的一种物理属性。

科学家认为，一般物质是没有“色”的，组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝，因此叠加在一起就成了无色的。因此如果计入6种味和3种色的属性，共有18种夸克，另有它们对应的18种反夸克。

那么夸克是如何组合在一起形成复合粒子的呢？就好像我们做房子一样，是什么让砖头紧紧黏合在一起呢？我们都知道是水泥。

胶子就充当了水泥的功劳，众所周知，胶子是一种负责传递强力相互作用的玻色子。它们把夸克捆绑在一起，使之形成质子、中子及其他强子，所以，在每一个质子和中子内部，都有夸克和胶子，胶子是维持原子核稳定的重要一环。

已经发现的所有重子（质子和中子都是属于重子）都是由三个夸克组成的，反重子则是由三个相应的反夸克组成的。

除此之外，科学家还发现了2夸克态，从量子色动力学（CDE）原理来看，宇宙还存在6夸克态、5夸克态的粒子。

那么宇宙有没有单独存在的夸克呢？答案是没有，夸克理论认为，夸克都是被囚禁在粒子内部的，不存在单独的夸克。

科学家尝试用对撞机撞开质子的时候，就遇到了一个难题，科学家发现质子中有个三不同的折射角，这其实意味着这当中有三个比质子更小的粒子存在，这就是夸克存在的证据。

但是，无论我们用什么办法去撞质子，都没有办法找到这些自由状态下的更小的粒子。夸克被一种神秘的力量紧紧束缚在了质子内部，无法以自由状态存在。

科学家曾经尝试过拿介子来获得自由存在的夸克，介子是一种很奇妙的复合粒子，π+介子、π-介子都是由一个夸克和一个反夸克组成的，

科学家试着把这两个夸克拉开。他们认为只要用足够的力，来抵消强力，也许你就能把这两个粒子扯开，并分离出带颜色的电荷和自由夸克。强力（强相互作用）是宇宙四大基本相互作用最强的一种，是核子（质子或中子）之间的核力，它是使核子结合成原子核的相互作用。

但是在实践中却失败了。一旦你在试图把这两个粒子分开的过程中输入一定的能量，真空中就会自发地创造出一个反夸克/夸克对(通过爱因斯坦的E = mc^2)。在你试图把这些粒子拉开的过程中，科学家自发地创造了两个介子，而之前只有一个介子。

之所以会失败，科学家发现这和强力的性质有关，这种性质叫“渐近自由”。早在上个世纪30年代，物理学家毕约肯首先猜测在核子的深度非弹性散射下会有“标度不变现象”，即本来 两个具有质量量纲变量的函数退化为一个无量纲变量的函数的现象。该假想不久就被美 国斯坦福电子加速器中心(SLAC)的电子在核子上证实。而这种“标度不变现象”意味着在核子中夸克其实是自由的。

上世纪70年代初的“深度非弹”实验中“渐近自由”现象被观测到，1973年6月，两篇证明强相互作用的规范理论具有“渐近自由”特性的论文横空出世，比肩发表在美国物理学会的《物理评论快报》期刊上。

前一篇论文的作者是普林斯顿大学的大卫·格罗斯（David Gross）和他的博士生弗兰克·韦尔切克（Frank Wilczek），而后一篇论文的作者是哈佛大学的博士生大卫·波利策（David Politzer）。三个人因此分享了2004年度的诺贝尔物理学奖。

“渐近自由”指的是夸克之间的强相互作用与人们从引力和电磁吸引力所获得的直觉相反，距离越近，力越弱；距离越远，力越强。当两个夸克之间的距离小到一定程度（或者能量高到一定程度）时，它们彼此差不多是自由的；而当它们的距离逐渐增大（或者能量逐渐降低）时，束缚它们的吸引力会变得越来越强，以至于两者根本脱离不开。这正像橡皮筋一样，拉得愈长弹回的强度愈大，永远束缚在一起。

简单来说，就是在粒子之中，三个夸克可以自由自在地玩耍，强力对它们的影响微乎其微，但是它们一旦想要脱离粒子的束缚，踏出一定的范围，强力作用就会加强，将它们囚禁在粒子之中。

这种现象也被称为之“色禁闭”（color confinement），因为带有颜色的夸克和胶子就像被囚禁在整体无色的“牢笼”里面。

“渐近自由”也意味着每个夸克都无法孤立存在，所以在自然界看不到单个夸克，或者说强子具有“夸克禁闭”的特征。

虽然“渐近自由”理论提出许多年，但是还有一些疑问并没有彻底揭开，目前在量子色动力学框架中，虽然定性地解释了夸克紧闭在强子内部的结构图像，但是要想定量地解释夸克囚禁疑难和强子结构图像仍是高能物理中的一大难题。

目前比较活跃的 格点量子色动力学正试图去解决这一难题，但是由于格点规范理论本质上是非围绕理论，其理论 方法不依赖于相互作用的强弱，所以首先必须想求得强相互作用的全部解，而目前为止，还没有办法做到。

引用论文：

1、科学网《奇妙的“渐近旋进”与“渐近自由》邢志忠

2、《强相互作用的渐进自由和“色禁闭”——基 于量子色动力学理论的一些定量、定性解释》北京大学 方托

3、《多夸克态研究概况》张宗烨

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