引子
从古至今，人类一向对世界有极大的好奇心，比方：咱们的世界是由什么构成的？
现代科学以为，世界中的物质大致可大致分为三种：一般可见物质、暗物质、暗能量。咱们眼睛所见到的全部物质，包含天上的星星，都是一般可见物质。一般可见物质的质量约占整个世界质量的5%，由“根本粒子”构成，其间99%以上的质量由大约1080个质子和中子奉献。
核子是组成原子核的质子和中子的总称。核子的质量是怎样来的呢？
1964年，英国物理学家希格斯（Higgs）提出了希格斯场的存在，并预言了希格斯玻色子（Higgs boson）的存在。在希格斯机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，根本粒子因与希格斯场耦合而取得质量。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激起，它经过自彼此作用而取得质量。假若希格斯玻色子被证明存在，则希格斯场也应该存在，然后希格斯机制也被证明。2012年，欧洲核子研讨中心宣告发现希格斯玻色子，也便是所谓的“天主粒子”。希格斯因为这项发现取得了2013年诺贝尔物理学奖。
希格斯机制发作的夸克质量很小，比方上夸克（up quark）和下夸克（down quark）的质量只要几个MeV。所以含有两个上夸克和一个下夸克的质子质量只要大约十几个MeV。可是，咱们咱们都知道质子实在的质量大约是938 MeV。除由希格斯机制发作的夸克质量外，质子质量首要由相对论性夸克胶子彼此作用发作。怎么准确地确认质量成分呢？
答案是：需求先搞清楚质子的内部结构。
图：质子质量约938 MeV, 而由希格斯机制发作的夸克质量约10 MeV。
质子内部结构
依据美国物理学家盖尔曼（Murray Gell-Mann）的夸克模型，质子内部有三个更根本的粒子，称为“夸克”。盖尔曼因该模型取得了1969年诺贝尔物理学奖。
现在咱们咱们都知道，质子由夸克和胶子构成，胶子像胶水相同把夸克胶黏在一同。在极短时间内，胶子可分裂为一对正反夸克。相同，这些夸克和反夸克也可聚合为胶子。
图：质子内部结构：价夸克、海夸克和胶子。
这目的个大致的图画，还存在更根本的问题有待处理：质子的自旋和质量从何而来？
科学家现在以为自旋、质量和其它核子性质是由其内部夸克和胶子之间的杂乱彼此作用发作的。但咱们不清楚这究竟是怎么发作的。夸克和胶子之间的彼此作用，是由一种被称为“量子色动力学”（Quantum Chromodynamics，QCD）的理论描绘的。
量子色动力学
完好描绘强彼此作用的理论是量子色动力学，它是粒子物理学“规范模型”的根本理论的一部分。“规范模型”描绘了世界中除了引力外的已知彼此作用力。美国物理学家格罗斯（David Gross）、波利策（David Politzer）和维尔切克（Frank Wilczek）因于1973年发现这个理论的一个重要特性——“渐近自在”而取得2004年度诺贝尔物理学奖。
QCD渐进自在的性质答应咱们在高能微扰区域求解，但现在还不能对非微扰区域的QCD直接求解。
那咱们就用高能磕碰试验去探究吧。
电子探针
质子的半径要比原子小十万倍左右，夸克和胶子的标准比质子还小几个量级。另一方面，核子的性质决议于夸克和胶子的团体行为，即许多夸克胶子经过十分美妙杂乱的彼此作用出现出来的全体作用。这使得咱们很难完全了解质子结构和性质。
咱们应该高灵敏度的探针。
自光学显微镜诞生以来，科学家们经过光学显微镜调查细菌等细小生物的动态。相似的办法也被应用到物理试验中来。在20世纪上半叶，物理学家经过X射线衍射“看见”原子。50年前，物理学家在一个电子和质子磕碰的试验中初次 “看到” 了夸克。这个勘探进程被称为“深度非弹性散射”（Deep Inelastic Scattering, DIS）。
DIS是一种经过用高速电子束流炮击质子或原子核来研讨其内部结构的先进的技能。依据量子力学里的波长和能量的联系，磕碰进程的能量越高，虚光子的波长越短，探针的标准也就越小。假如探针比质子自身的标准还小许多，科学家们就能“看到”质子内部更细小的粒子，也便是能够“看到”质子内部的结构。比方，在十分之一质子标准下，科学家们能看到价夸克；能量再高点，到质子的百分之一标准时，就能明晰地看到海夸克；假如标准在质子的千分之一以下，则能够正常的看到胶子。
图：电子-质子非弹性散射。
第一个DIS试验最早发作在德国电子同步加速器研讨所（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试验。HERA设备坐落德国汉堡，从1992年一向运转到2007年。其试验成果雨过天晴促进了咱们对核子结构的了解，但仍是没有处理 “自旋危机”。而且，因为HERA设备没有重离子束流，然后也不能研讨原子核中的夸克和胶子的行为。
图：强子-电子环加速器HERA，坐落德国汉堡。
就像医师经过CT对人体三维成像相同，为了完全搞清楚夸克和胶子世界的物理问题，咱们应该超级显微镜来调查质子的内部结构和运动规则，也便是——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炮击质子和更重的原子核，探究核子和原子核的内部夸克和胶子的结构及它们之间的彼此作用。EIC对撞机的一个优势是其能量比较高，然后能够愈加明晰地看到质子内部结构：质子自身的百分之一到万分之一标准的结构。
被视为“超级多维电子显微镜”的EIC，将使咱们取得第一张用夸克和胶子描绘的核子内部世界的高清、三维图画，终究构成咱们对可见世界的全新了解。世界深处的奥秘面纱将被揭开。
制作电子离子对撞机
科学家们正在提出新方案：制作电子离子对撞机。
制作EIC是世界高能核物理界的最优先研讨方案之一。现在，世界核物理界已根本构成一致：EIC是研讨核子、原子核内夸克胶子散布的最有用设备。美国和欧洲都正在方案制作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价陈述》明确指出了电子离子对撞机在科学上的重要性：“核子质量怎么发作等严重科学问题需求一个有高度极化的电子和离子束流的EIC，这个EIC还要有满足高的亮度以及满足的而且可调的质心系能量。这样一个EIC设备将是世界上绝无仅有的设备。”
在我国，科学家们也提出了制作我国电子离子对撞机的方案。
根据我国2050年大科学设备开展路线图的规划，由我国科学院近代物理研讨所最早于2012年主导提出，在强流重离子加速器设备(HIAF，已于2018年末在广东省惠州市开工邮递)的基础上，增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我国电子离子对撞机(Electron Ion Collider in China, EicC)。
图：EicC设备设计图。EicC白皮书已在《核技能》在线宣布。
探针标准由对撞机的能量决议。EicC的探针标准大约在质子的百分之一到千分之一左右，是研讨海夸克的最佳区域。EicC建成后，将是世界上第一台运转于海夸克能区的极化电子离子对撞机。
EicC的首要物理方针包含海夸克一维和三维结构的准确丈量，原子核结构与性质、奇特强子态和质子质量来历等严重基础科学问题的研讨。信任更广泛、更深化的物理方针还会被不断地提出来。
我国EicC和美国EIC首要有什么不同呢？
能量和物理方针不同。EicC能量坐落正在运转的美国杰斐逊试验室(JLab)设备和未来高能EIC之间的空白区。三大设备的物理方针彼此弥补：EicC首要研讨海夸克结构，而美国EIC集中于胶子物理研讨，现在正在运转的杰斐逊试验室则首要研讨价夸克结构。
图：EIC将物质结构研讨从价夸克推进至海夸克和胶子层次。
展望
电子离子对撞机是现在世界上可提供数据，供科学家最大极限地了解QCD理论的唯一被考虑邮递的试验设备。可是，制作电子离子对撞机对加速器和勘探器等技能提出了巨大的应战，这些应战将有望促进加速器科学的开展。这将不只使核物理学科获益，也将推进未来医学、资料学和芯片工业的开展。
电子离子对撞机的制作与运转，将使核物理的研讨迎来一个新的年代。咱们等待大批年轻人投入到这项探究核物质结构最前沿的基础研讨中去。
来历：我国科学院近代物理研讨所
