1 引言

原子核是一個強相互作用的多核子系統，是物質結構的一個重要層次。原子核物理學是一門不斷發展的學科，傳統核物理的研究內容主要是基于核子自由度研究原子核的結構、性質及其相互作用。隨著人們對微觀世界認識的深入，比如夸克和膠子的發現、強相互作用理論量子色動力學\\(QCD\\) 的建立，使得當前的核物理研究領域大大擴展。既然原子核是一個多核子系統，它的整體性質和運動形態應該由它內部的核子的性質以及核子之間的相互作用\\(核力\\) 來決定，這就需要從實驗和理論兩個方面深入研究核子的結構和性質。因此，研究最小的核物質系統\\(核子及其激發態、多夸克態與雙重子態等\\)的內部夸克–膠子結構已經成為新的核物理研究前沿。

在QCD 理論框架下，核子的經典圖像是由三個夸克\\(質子：uud，中子：udd\\)組成。但是，QCD理論具有“色禁閉”\\(又稱“夸克禁閉”\\)性質，實驗上無法直接觀測到核子內部的夸克和膠子。從這種意義上說，核子是能從物質中分離出來的、是已觀測到具有內部結構的最小物質單元之一。而且，核子是可見物質世界的基礎，占可見物質的99%以上，是組成物質世界的“原材料”。再者，可見物質世界的質量主要來源于核子及其相互作用。因此，研究核子內部結構和核子之間相互作用能夠加深我們對微觀物質世界的理解和認識。

核子是體現QCD 理論三種顏色合成無色態及其非阿貝爾特性的最簡單費米子系統，但目前QCD理論仍不能定量地描述核子內部的夸克–膠子結構，甚至連核子內部的有效自由度到底是什么都還不清楚。而且，越來越多的實驗跡象表明，核子內部有明顯的多夸克成份，膠子成份也對核子自旋極化等問題有一定貢獻。此外，如何在夸克層次上描述核力、是否存在多夸克態和雙重子態以及核內核子的夸克–膠子結構與自由核子有何不同等，都是當今受到普遍關注的核物理基本問題，對這些問題的研究能夠提升我們對強相互作用的理解和認識。同時，這些研究對于天體物理、粒子物理標準模型在核物理中的檢驗、核技術應用等也具有重要意義。

目前，除核子之外，在實驗上雖然已經發現了一定數量的重子及其激發態，但是對它們性質的了解還很貧乏，進一步從理論和實驗上精確研究這些重子的內部結構特別是譜學性質很有必要。在近代科學發展史上，譜學研究是人們探索微觀物質世界非常有效的工具。例如通過對原子能譜的研究，得到了波爾量子理論；通過對原子核譜的研究，成功提出了殼模型和集體運動模型。由此，我們期待通過對核子及其激發態譜學的研究，加深對微觀世界的了解。

隨著國家經濟實力的增強和國家科學技術發展的需要，我國逐步建造了一批大科學裝置。北京正負電子對撞機BEPCII升級成功，蘭州重離子加速器冷卻儲存環裝置\\(CSR\\) 建成投入使用，均已取得重要物理成果。目前，在CSR 上新建一個CSR 外靶實驗裝置\\(CSR External-target Experiment，CEE\\)的項目\\(即“低溫高密度核物質探測譜儀”\\)也在申請之中。CEE有別于其它國際上同一能區的重離子碰撞實驗裝置，它將強調包括前角區在內的產物及其關聯的測量，利用CSR 的重離子束流研究極高重子數密度下核物質的相結構，這將是一個在這一能區下世界上唯一的核物質測量譜儀。另外，為了使我國核物理基礎研究在激烈的國際競爭中占有一席之地并為人類探索物質結構做出重大貢獻，同時滿足經濟社會發展對重離子束流的重大需求，中國科學院近代物理研究所提出建造一臺強流重離子加速器裝置\\(High Intensityheavy ion Accelerator Facility，HIAF\\)，HIAF已經列入“十二五”國家重要戰略裝置計劃。HIAF建成后，將是世界上最先進的重離子科學綜合研究裝置之一，具有潛在的開展電子-質子\\(重離子\\) 對撞實驗能力。這些裝置是人類探索微觀物質世界的深層結構的有效途徑，是核物理和粒子物理交叉研究領域的前沿，為研究核子結構和QCD 理論的低能特性提供了理想實驗平臺。

2 核子及其激發態研究現狀

自從發現\\(1232\\) 重子以來，大量的核子共振態在πN散射過程中觀測到。質量在1.7 GeV 附近及以下的核子激發態的性質都已經被確定，然而高質量區域的核子激發態性質無論實驗上還是理論上研究都不是很多。除πN散射實驗裝置之外，國際上還有比較多的γN或者eN散射實驗裝置來研究核子激發態。

這些裝置主要包括美國杰佛遜國家實驗室\\(JLab\\)的CLAS/CEBAF、 德 國 的MAMI和ELSA、法國的ESRF和日本的LEPS/Spring-8等等。

由于量子電動力學\\(QED\\)已經被透徹地理解，因此，與πN散射等強子探針實驗相比，電磁探針特別是光子探針比強子探針更為干凈，對于研究核子及其激發態性質有其獨特的優點。另外，電磁過程對于研究那些與πN耦合比較弱的核子激發態也有絕對的優勢。

因此，光子–質子和電子–質子碰撞實驗逐步成為研究核子共振態的主要實驗手段。表1列出了目前實驗上對核子及其激發態研究現狀的總結，相關數據取自文獻。這些粒子的確定度用“*”的多少來表示，“*”越多，表示該粒子的確定度越高。例如，“****”表示該粒子確定存在，而且它的一些性質，諸如質量、寬度和衰變分支比等也比較確定。從表中可以看出，大部分核子激發態的確定度都在“****”以下，還有一些核子共振態的質量和寬度甚至自旋宇稱都還“不確定”，這說明我們對于核子激發態性質的研究還遠遠不夠。

理論方面，經典夸克圖像表明，核子及其激發態由三個夸克組成?？淇四Ｐ驮诿枋龌鶓B重子屬性方面取得了很大的成功，特別是它們的質量關系，曾經成功地預言了含有三個奇異夸克的重子。然而，隨著更多更精確實驗數據出爐，這種簡單的三夸克圖像已經很難解釋某些實驗現象。更有甚者，在某些能區，理論計算與實驗數據之間存在很大分歧。比如，經典三夸克圖像指出，質子奇異自旋和奇異磁矩應該為零，而實驗結果并非如此。這說明我們對核子內部結構的認識還非常粗淺，對一些核子及其激發態相關的基本問題的理解也非常粗糙。除了夸克被認為是核子內部一個有效自由度之外，核子內部的其它有效自由度是什么？這個問題至今沒有答案。經典三夸克圖像的不足促使人們對核子以及激發態的結構進行更加深入的研究，也促使人們不斷努力，尋找新的核子及其激發態內部結構圖像。

為解決傳統三夸克重子結構模型的不足，一種新的觀點認為雖然獨立的五夸克態不存在，但是核子及其共振態中存在可觀的五夸克激發。這種模型要求從夸克海中拉出一對正反夸克，其中拉出來的夸克與核子內部組份夸克形成“偶夸克”\\(diquark\\)有色集團，然后再構成整個無色的核子及其激發態，也可以形成兩個無色強子構成的強子分子態。這種過程的激發能有可能比傳統三夸克模型通過徑向和軌道激發得到核子激發態的激發能要低，因此，對于某些核子激發態而言，其內部五夸克成份有可能占主導地位。

基于此五夸克成份圖像，可以定性解釋核子的奇異性質。同時，這種五夸克圖像給出了與經典夸克圖像相當不同的核子激發態譜預言，有待實驗檢驗。另外，在五夸克圖像基礎上，考慮手征超精細相互作用，文獻[15]把原來對五夸克系統能譜的預言，擴展到七夸克系統，對基態和軌道第一激發態能譜進行了理論預言，這些結果也有待將來實驗檢驗。

既然核子內部可能存在正反奇異夸克對ss，隨著激發能量的升高，在4 GeV 以上，核子內可以出現粲夸克對cc，即存在隱粲核子共振態，以及質量在11 GeV附近含有美夸克對b

b的隱美超子共振態存在。由于普通核子共振態在3 GeV 以上核子共振態的數量急劇增加，在4 GeV以上的能區接近于連續譜，而且隱粲核子共振態寬度比較窄，因此在實驗上較容易被發現。

我國北京正負電子對撞機\\(BEPC\\) 在研究核子激發態方面有其獨特的優點。由于J/ψ 粒子的同位旋為零，而核子或者反核子的同位旋為1/2，則根據同位旋守恒可知J/ψ →NNπ和J/ψ →NNππ衰變末態πN和ππN系統的同位旋只能為1/2，而沒有同位旋3/2 的\\(1232\\) 重子及其激發態的貢獻。

因此，上述J/ψ 衰變過程是研究同位旋1/2 的核子激發態的優良場所。事實上，從1992 年到2012 年，粒子數據表\\(PDG\\)上收錄的核子激發態總共增加了七個，其中三個都是基于BEPC 的北京譜儀合作組分析J/ψ 或者ψ\\(3686\\) 衰變數據得到的，它們分別是N3/2+\\(2040\\)、 N1/2+\\(2300\\) 和 N5/2\\(2570\\)。目前BEPCII 上的北京譜儀探測器已經采集了約12 億的J/ψ事例和6億ψ\\(3686\\)事例，可以期待這些高統計量的實驗數據帶來更多的核子激發態研究的新結果。

除BEPC 之外，CSR上面通過質子–質子散射過程或者質子–原子核散射過程也可以產生核子激發態，為研究核子激發態性質提供了一個與BEPC 互補的、新類型的研究平臺。

3 我國 EIC 計劃和核子及其激發態

很長時間以來，電磁探針一直是提取原子核和核子內部信息的最重要工具，這是由電磁探針本身具有的清潔性和易控性等優點所決定的。電磁探針的一個新發展方向是電子–離子對撞機\\(EIC\\)。

目前，國際核物理界幾乎已形成共識：EIC將是研究核子、 原子核內夸克膠子分布的最有效設備，是高能核物理界研究核子結構下一代最主要的加速器裝置，被視為“超級電子顯微鏡”，它能提供核子內部結構最清楚的圖像。提議中的EIC計劃包括美國RHIC的eRHIC和JLab的ELIC，以及歐洲大型強子對撞機\\(LHC\\)上的LHeC和德國GSI/FAIR上的ENC等。

在 我 國，中 國 科 學 院 近 代 物 理 研 究 所 提 出在HIAF上建造強流高能電子加速器和先進的EIC機器，開展核子結構等方面的前沿研究。EIC@HIAF初期暫定目標為電子能量3 GeV，質子能量12 GeV；亮度可達到4×1032cm2·s1；束流采用雙極化\\(電子束流和質子/重離子束流均極化\\)。

圖1 列舉了目前國際上計劃中的EIC 和已有電子–質子散射實驗裝置的亮度與質心能量的對照關系，從圖中可以看出，EIC@HIAF 雖然比JLab 12GeV 升級項目亮度低，但是質心系能量較大，同時EIC@HIAF 的實驗將比JLab 12 GeV 升級項目運動學范圍更廣，在較大的部分子動量范圍內，不但可以提供價夸克的分布函數的信息，還能提供?？淇艘约澳z子的分布函數的信息，為最終揭示核子和原子核的夸克、膠子結構邁出重要的一步。此外，EIC@HIAF 的主要優勢在于能夠給我們更多更精確的?？淇朔植己瘮敌畔?，而美國和CERN未來的EIC裝置主要優勢是研究膠子。另外，HERA實驗獲得了很多核子結構方面的實驗結果，但是該實驗的缺點是只有ep散射，沒有eA散射，而且質子束流沒有極化，其亮度也偏低\\(1031cm2·s1\\)。因此，EIC@HIAF比HERA有明顯的優勢，可以通過eA散射來研究原子核內部夸克–膠子結構對原子核性質的影響。同時，對于HERA 發現的一些跡象，可在EIC@HIAF 上進一步確認和深入研究。另外，由于束流采用雙極化，EIC@HIAF 實驗可以獲得更多能夠直接反映相關物理過程\\(如：深度非彈性散射\\)動力學機制的物理可觀測量，這些物理觀測結果對于分析研究核子奇異磁矩是大有裨益的?！緢D1】

在歐美建成EIC 裝置前就建成EIC@HIAF，將使中國在核子結構研究領域處于世界領先地位。中國物理學家，尤其是理論物理學家已在這方面做出過很大的貢獻，為這項研究提供了強有力的支持。

EIC@HIAF 建成和運行后，中國高能核物理研究將能取得重大物理成果，在掌握探測器技術和人才培養等方面也將取得重要的進步和突破，將使我國的核子結構研究在激烈的國際競爭中走在世界前列，并對國際上其它大科學實驗裝置將要開展的研究起到積極的推動作用。同時，將為我國核科學家做出世界性一流貢獻而創造條件。

除研究核子結構外，EIC所提供的高能電子束和高能質子束及其較高的亮度也為我國核子激發態領域的研究提供了良好的機遇，并且EIC 上電子與質子碰撞可以與目前我國正在運行的正負電子對撞機BEPC 和質子–質子碰撞的CSR 形成互補。在電子與核子碰撞過程中，通過交換一個光子可以在核子中拉出一個夸克對，從而形成一個隱粲核子共振態，所以，EIC也是研究隱粲核子共振態的理想裝置。由于EIC@HIAF 的質心系能量可達8 GeV，因此可研究質量高于4 GeV 的XYZ 粒子。同時，從表1中可以看出，目前對質量在2 GeV附近的核子激發態的性質研究相對較少，而EIC@HIAF建成后，可以通過相關ep\\(或者γp\\)散射過程來研究2 GeV附近的核子激發態。這一方面的理論工作已經有了一定的基礎，如文獻[31–33]中對核子激發態N3/2\\(2120\\)在γp → K+Λ\\(1520\\) 過程中的貢獻進行了一定的研究，指出通過該散射過程可以研究N3/2\\(2120\\) 的性質。因此，在EIC@HIAF 上開展核子及其核子激發態等強子物理研究，這樣可以使得該裝置一器多用，多點開花、充分發揮其價值。

另外，在文獻[34]中，基于有效拉氏量方法和矢量介子為主模型，我們對隱璨核子共振態Ncc\\(4421\\)光致產生進行了理論計算，圖2 給出了我們關于總截面的計算結果。圖中點線表示背景貢獻，虛線表示Ncc\\(4421\\) 共振態的貢獻，而實線是總的結果，灰色區域是我們考慮參數誤差之后的理論預言范圍。從圖中可以看出，我們的計算結果可以描述目前現有的實驗數據。然而，舊的實驗數據誤差很大，不足以給出確定的結論，需要進一步的高精度實驗證實。同時，我們的理論結果表明，在閾值附近，總截面在納靶\\(nb\\)量級，而且信號相對于背景是非常明顯的。這一研究結果為我們在EIC@HIAF 上研究隱璨核子激發態提供了良好的理論基礎?！緢D2】

4 展望和建議

核子及其激發態性質研究一直是中高能核物理研究的一個重要領域，吸引了大批理論和實驗工作者投入該項事業中。相關研究成果必將大大提升人們對物質世界特別是微觀物質世界自然規律的認識水平。然而，到目前為止，我們對核子內部結構的了解還處在初級階段?？淇撕湍z子如何構成核子是我們還沒有完全解決的難題。三夸克模型雖然給我們提供了一個簡單的、清晰的核子內部結構圖像，但是這種核子結構圖像在新的、更精確的實驗數據面前顯得過于簡單，需要我們對核子及其激發態內部結構進行新的思考和探索。

核子及其激發態內部五夸克圖像的提出，為我們提供了一個描述核子內部結構的新見解，預言了在4GeV和11 GeV附近分別存在以五夸克成分為主的核子和超子激發態超重島。此外，該模型還預言了一些目前還沒有被實驗發現的含有大量多夸克成分的重子態。它們的存在與否可以在將來新的實驗裝置上面得到驗證。

然而，隨著國際上大型科學裝置的相繼開始建造，以及受到社會發展多元價值觀的沖擊，再加上核物理研究人才培養周期一般需要五到十年時間，中高能核物理后備力量嚴重不足的困難將凸顯，這一點在歐洲、美國和日本等發達國家已經非常明顯。為此，我們應加大對中高能核物理領域的人才培養力度，爭取吸引更多的國內外優秀人才加入到我國中高能核物理的研究隊伍中。同時，加強國際學術交流，學習發達地區先進技術和優秀經驗，邀請一些國際專家來講學指導，爭取最快速度解決后備力量不足這一最大困難，使得這些新的大型科學裝置能夠發揮其最大效益，為我國基礎學科的發展做出貢獻。

參考文獻：

[1] ZOU Bingsong. Nuclear Physics Review, 2005, 22\\(4\\): 351.