中美两国粒子加速器比较分析及建议

摘要：

粒子加速器为代表的核物理大科学装置是国家科技发展水平和国际竞争力的重要标志。美国在粒子加速器领域凭借连续电子束加速器（CEBAF）、相对论重离子对撞机（RHIC）和即将完工的电子-离子对撞机（EIC）领先世界。中国高度重视原创性基础科研，统筹规划，持续加大投入，不断提升粒子加速器领域的国际竞争力。 

关键词：

核物理大科学装置，粒子物理学，粒子加速器。

1.前言。

核物理大科学装置指通过大规模投资和建设，并在建成后通过稳定运行和科学技术活动，以达成关键科学技术目标的设备，是衡量国家科技发展和国际竞争力的重要指标。粒子加速器属于核物理大科学装置的核心部分，可加速带电粒子至接近光速，进行高能碰撞，产生自然条件下不存在或不单独存在的基本粒子，探测原子核内部结构。例如，描述基本粒子最成功的理论是标准模型理论（见图1），但部分问题悬而未解，需用实验证明，而粒子加速器是最主要的工具之一。

图 1 基本粒子标准模型

2.美国粒子加速器发展情况。

美国从20世纪二三十年代开始研发粒子加速器，其中能力大于10GeV的装置主要应用于粒子物理研究。

2.1连续电子束加速器

美国杰佛逊实验室连续电子束加速器要用于生产高能电子束，并研究电子在高能情况下的性质。2014年，最高能量升级至12GeV，可深入探索夸克和胶子以及核子的三维结构。

2.2相对论重离子对撞机

布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机由两个加速器和交叉的超导磁体环组成，重离子束在相反方向加速到接近光速并相撞，产生极端温度和压力来模拟宇宙大爆炸初期的条件（见图2）。该设备2000年运行，是第一个提供探索宇宙诞生之初环境的装置。

图 2  重离子对撞过程

2.3电子-离子对撞机

电子-离子对撞机用于研究质子和中子的内部结构，高能电子和离子束流对撞实验将揭示质子自旋的起源、夸克和胶子的分布等问题，预计2030年代完工。

图 3 夸克和胶子的质量

质子和中子由称为夸克（彩色球体）的小构件组成，这些构件通过胶水状的胶子（黄色曲线）粘在一起。夸克质量很小，胶子几乎为0。夸克和胶子只占质子总质量的1%，电子-离子对撞机实验将探索是什么构成其余99%的质量。

3.中国粒子加速器发展情况。

中国在核物理大科学装置的发展起步较晚，近年来通过国家投资和科技发展规划，正迎头追赶。如“十四五”规划的项目按期完成，将有70座大科学装置，数量与美国基本持平。

3.1北京正负电子对撞机（BEPC）

北京正负电子对撞机建成于1988年，可开展希格斯粒子特性和新物理、奇异物质的寻找和强相互作用的本质、中微子属性、宇宙线的本质、暗物质直接探测等研究。北京正负电子对撞机可在束流能量1.89GeV稳定运行，达到同类加速器国际先进水平。

3.2兰州重离子研究装置

兰州重离子研究装置（Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, HIRFL）亦称兰州重离子加速器，可把氢到铀的离子加速到2.8GeV，开展极端条件下的原子核和核物质性质、宇宙形成和演化中的关键核过程、高电荷态离子非平衡动力学时空演化等研究。

3.3强流重离子加速器装置

强流重离子加速器装置(High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility,HIAF)(项目布局见图7)作为《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030年)》确定的建设重点内容之一,2018年启动,预计2026年建成，建成后可提供国际上峰值流强最高的低能重离子束流、最高能量达4.25吉电子伏每核子（GeV/u）的脉冲重离子束流，为鉴别新核素、研究弱束缚核结构和反应机制提供国际领先的研究条件。

图 4  强流重离子加速器装置项目总体布局图

3.4环形正负电子对撞机

环形正负电子对撞机（Circular Electron Positron Collider，CEPC）项目，其目标是通过高能质子对撞，探索粒子内部结构，寻找超出标准模型的新粒子和新物理现象。项目计划2027年开始建设，2035年完工。

4.中美粒子加速器比较

能量水平直接关系到可以探索的物理现象范围。美国相对论重离子对撞机的金核-金核对撞时，核子质心系能量达到200GeV，保持世界最高重离子对撞能量记录。北京正负电子对撞机的能量水平相当于20世纪七十年代建成的美国同类型大科学装置，距离世纪第一梯队仍有较大差距。

重离子对撞机技术难度和投入成本大，中国在这方面发展速度相对较慢，只能用兰州重离子加速器和一些小型加速器开展研究。强流重离子（HIAF）加速器装置2026年建成，基础研究“卡脖子”问题有望得到较大缓解。但随着美国新一代重离子加速器装置（FRIB）投入运行，我国重离子加速器性能指标仍存在差距。

党的十八大以来，包括加速器在内的大科学装置建设稳步推进，取得众多成果。在消化吸收国际先进技术的基础上，结合国内技术创新的最新成就，中国将于2027年开始建设中国环形正负电子对撞机（CEPC），建成后对撞能量可达240GeV。中国环形正负电子对撞机建成后，可进行希格斯玻色子的精度测量，还能探索更多的粒子物理领域研究工作。

5.建议

5.1继续坚持自主创新。

关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的，我国应继续加大投入，通过项目牵引，不断进行新的自主研发，掌握粒子加速器等大科学核心装置的关键技术，才能实现粒子物理学的原始创新。

5.2做好前瞻布局和加强国际合作。

大科学装置要从设计到投入使用经常跨越10年时间，需要提前谋篇布局，确保建成时世界一流，再过10年仍不落伍。在加强自主创新的同时，积极拓展国际合作，引进先进的理念和技术，同时提高在粒子物理学研究上的话语权。

5.3完善国家对核物理研究的管理和服务体系。

政府角色及边界是大科学装置研究中的核心问题，管理模式与治理结构、产出评价和资源共享很大程度上需要进行统筹决策，为科研人员提供良好的研究环境和条件，健全知识产权保护机制对激发创新动力至关重要。

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作者介绍：王晨喆（1985年—），男，河南省郑州市，硕士研究生学历，工程师，从事核科学领域研究等工作。