又一個加速器建好了！這次在廣東！

現代物理學已經進入了探索物質深層規律的新階段。為了深入研究原子核和基本粒子的性質，科學家們研發了粒子加速器。這種裝置能將帶電粒子加速到接近光速，并在碰撞中產生類似恒星內部乃至宇宙早期的極端環境，從而揭示原子核的結構和物質的基本規律。

在眾多種類加速器中，重離子加速器尤為重要。它以較重的原子核為加速對象，是核物理、核天體物理等研究不可或缺的工具，同時在醫學、材料、航天等領域有著廣泛應用。

隨著科學研究向極端條件邁進，建造高性能、高流強的重離子加速器已成為推動核科學前沿發展的迫切需求。2018年起，我國在廣東惠州啟動了強流重離子加速器（High Intensity heavy-ion Accelerator Facility，簡稱HIAF）的建設。目前，這一國家重大科技基礎設施已通過工藝驗收，標志著該裝置完成所有工程建設內容，進入試運行階段。它將對我國的物理學發展產生深遠影響。

強流重離子加速器HIAF（ 圖片來源：中國科學院近代物理研究所）

什么是強流重離子加速器？

什么是強流重離子加速器呢？要了解這一點，我們首先需要了解粒子加速器的原理。

在初高中物理中我們學過，原子由原子核和核外電子構成。如果一個或多個電子被剝離，中性原子就會變成帶正電的離子。將這些離子放入加速器中，通過電場不斷提高它們的速度，再利用磁場控制其運動軌跡，就能獲得接近光速的高能束流。

在早期的大多數粒子加速器中，科學家主要使用電子或質子等較輕的粒子束流。它們適合研究基本粒子的性質，但在研究復雜原子核性質時存在局限。為了更好地實現實驗所需的極端條件，研究者開始使用元素周期表中原子序數大于2（即鋰及以上元素）的原子來制造離子，這類離子統稱為重離子。

這些高速重離子就像“微觀炮彈”，可以轟擊目標原子核或者相互碰撞，產生極端的溫度、壓力和能量狀態，模擬恒星內部、超新星爆發，甚至是宇宙大爆炸初期的環境，幫助科學家探索物質深層次結構。

借助這些條件，科學家不僅能研究原子核的存在極限和穩定性，還能探討重元素在宇宙中的形成機制，甚至探索質子和中子內部夸克—膠子等離子體等極端物質態。

重離子碰撞演化過程以及碰撞后的粒子徑跡 （圖片來源：CERN）

然而，無論是輕離子還是重離子，其個體都極其微小，使其精準地打靶或碰撞，本身就是巨大的挑戰，并且成功碰撞的概率非常小。如果一次實驗里參與碰撞的離子數目太少，研究者就得不斷重復實驗，可能需要花費數月甚至數年才能收集到足夠的實驗數據。

因此，科學家們提出必須大幅提高單位時間內加速的離子數量，也就是所謂的“強流”。HIAF在這方面具有顯著優勢：它能夠加速的離子數比傳統加速器高出千倍甚至萬倍。以氧離子為例，一次加速的數量可達約7000億個，速度接近光速的96.4%。這意味著實驗效率大幅提升，許多原本需要長時間積累的實驗數據，現在可能在一天甚至幾小時內就能獲得。更形象地說，這種“強流”的效果就像童年經典游戲《魂斗羅》里把單發子彈的“豆豆槍”換成一次能打出五發子彈的霰彈槍，“殺傷效率”可以成倍提升。

一句話總結：強流重離子加速器是一種能夠產生海量接近光速的重離子束流，用于探索原子核結構、物質極端狀態和宇宙演化規律的大科學裝置。

為什么要建設強流重離子加速器？

HIAF是我國國家重大科技基礎設施建設項目，也將是我國迄今規模最大的重離子加速器，經過近7年建設，目前已通過工藝驗收，進入試運行階段。之所以要建設這座科學重器，是因為其具有重大的科學價值以及巨大的應用潛力。

在基礎研究方面，它有望回答一些長期懸而未決的科學問題，比如：

1. 原子核中最多能結合多少個質子和中子？這關系到原子核能夠存在的邊界和物質穩定性的極限，同時也能為人類探索新的元素提供重要線索。

2. 比鐵更重的元素如何在宇宙中形成？這是理解恒星爆炸和宇宙演化的關鍵環節，也解釋了地球上金、鈾等重元素的來源。

3. 原子核一般由質子和中子組成，而維系它們結合在一起的作用力（核力）從何而來？這正是維系原子核穩定存在的根本。

4. 質子的質量和自旋這些基本屬性又從何而來，也還沒有找到確切的來源。

換句話說，人類對物質最深層次的理解依然是極不完整的。

與此同時，重離子加速器的作用也早已超出基礎研究領域。

在醫學上，重離子束可以高效摧毀癌細胞，對周圍正常組織的損傷更小；在材料科學中，它可用于輻照模擬與材料改性，產生高性能特異材料；在農業中，它可用于輻射育種，培育出品質優異的水稻、小麥、中草藥等植物新品種；在空間科學與國防中，它能模擬宇宙輻射環境，用以提升航天探測器和電子設備的安全可靠性。可以說，從揭示宇宙起源到改善日常生活，重離子加速器都有著直接而深遠的意義。

醫用重離子加速器布局圖 （圖片來源：中國科學院近代物理研究所）

另外，歷史經驗同樣表明，重離子加速器是取得重大科學突破的重要平臺。

美國布魯克海文國家實驗室的重離子加速器群，曾促成了 J/ψ 粒子的發現和 μ 中微子的首次觀測，并在實驗室中制造出“夸克—膠子等離子體”，相關成果屢獲諾貝爾物理學獎。德國亥姆霍茲重離子研究中心則在 20 世紀末發現了多種新元素，并在重離子腫瘤治療和醫學加速器技術方面取得多項開創性成果。日本理化學研究所建成的放射性同位素束流工廠（RIBF），已發現逾150種新核素，更是合成了 113 號元素“Nh”（源自Nihon，即日本），彰顯了日本在核物理領域的重要地位和貢獻。我國的蘭州重離子研究裝置（HIRFL）同樣發揮了重要作用，不僅在新核素合成和原子核質量測量方面取得重要成果，也支撐了氫彈研制、空間探測等國家任務，并推動了重離子治癌、輻照育種、核孔膜等成果轉化。這些事實說明，重離子加速器一直是推動物理學前沿和服務社會應用的重要利器。

布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機（RHIC）（圖片來源：BNL）

德國GSI重離子加速器裝置 （圖片來源：GSI）

放射性同位素束流工廠（RIBF） （圖片來源：RIKEN）

蘭州重離子研究裝置（HIRFL） （圖片來源：中國科學院近代物理研究所）

然而，在現有加速器條件下，大量理論預研仍難以得到實驗檢驗，仍有許多重大科學問題有待解決。研究者迫切需要更高的束流強度和更寬的能量范圍，以在實驗室里實現各種實驗所需的極端束流條件。

正是在這樣的背景下，強流重離子加速器（High Intensity heavy-ion Accelerator Facility，HIAF）應運而生。它聚焦于“探索原子核存在極限、揭示核天體物理過程、推動核能開發和多學科應用”三大目標，能提供國際上脈沖流強最高的重離子束流，擁有世界上精度最高的核質量環形譜儀。HIAF不僅代表著我國核科學研究邁向國際領先的決心，也為解決人類共同關心的科學難題提供了全新的可能。

HIAF增強器 （圖片來源：中國科學院近代物理研究所）

HIAF核質量環形譜儀 （圖片來源：中國科學院近代物理研究所）

HIAF是如何工作的？

HIAF是如何實現數千億重離子加速的呢？

正如我們前文提到過的，粒子加速器的原理都很類似，首先把原子中的電子剝離，從而形成離子；其次，與磁鐵同性相斥的原理類似，帶正電的離子在電場中因受力而被不斷加速；同時，磁場控制運動著的離子束進行偏轉。

HIAF 也遵循這一思路，它的工作過程具體可以分為幾個主要環節。

HIAF項目總體布局圖 （圖片來源：中國科學院近代物理研究所）

首先，超導 ECR 離子源是整個裝置的起點。這里，原子的電子被剝離，生成帶電的離子，并獲得初始能量。接著，離子進入超導直線加速器，在一系列射頻電場的推動下逐級加速，速度迅速提升。隨后，它們進入能量增強器——一個環形的加速器，在同步電磁場的作用下不斷繞圈，被進一步加速到接近光速。最后，離子束被引導進入實驗靶區，與靶原子核相撞，產生各種次級粒子和新現象，供科學家探測和分析。

與電子加速器相比，重離子加速器更具挑戰性，因為重離子質量大、種類多且不穩定，需要更復雜的束流操控以及冷卻等技術手段。HIAF 的亮點在于，它能覆蓋從百萬電子伏特每核子（MeV/u）到十億電子伏特每核子（GeV/u）的寬能區，既能提供極高強度的束流，又能靈活滿足不同實驗需求。經過十六年的技術攻關，科研團隊已經突破了離子源、直線加速器和同步加速器等關鍵技術，為 HIAF 具備國際領先的綜合性能奠定了建設基礎。

（圖片來源：中國科學院近代物理研究所）

在這里，未來將……

作為目前世界最先進的重離子加速器之一，HIAF 承載著揭示物質奧秘、推動核技術應用發展的重要使命。它的建成，將使科學家能夠在多個方向上邁出實質性步伐。

在基礎研究方面，未來將在這里誕生大量地球上從未產生過的放射性核素，幫助科學家尋找原子核存在的邊界，例如“最重的核”或“含最多中子的核”，并探索“超重核穩定島”，有望率先合成新的元素。同時，它還能揭示一些奇特的核結構，發現超出既有理論的新現象。HIAF 還能對壽命極短的原子核進行高精度測量，特別是與天體核反應相關的關鍵核素，為解釋宇宙中重元素的起源提供直接證據。

在應用層面，HIAF 將為高能量密度物理研究提供條件，有望為慣性約束聚變等新型能源探索提供支撐。依托HIAF，還能建設先進的粒子束輻照平臺，用于檢驗和改進航天器與核電材料的耐輻射性能，支撐材料科學、空天探測、先進核能等領域研究。醫學上，HIAF 能夠推動重離子治癌與醫用同位素藥物的研發，推動高端醫療技術發展，造福人類健康。農業和食品領域也能受益，例如輻照育種和食品保鮮。

在全球科技競爭日趨激烈的今天，先進重離子加速器的建設不僅代表著一個國家在核科學研究上的實力，也體現了工程技術和跨學科創新的綜合水平。HIAF 的運行，將為我國提供世界一流的研究平臺，顯著提升自主創新能力。未來，借助 HIAF，我們或許能揭示宇宙、生命與物質的更多奧秘。

來源：科學大院

編輯：小鹿

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