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（来源：赵贺 刘芳中科院物理所）
现代物理学已经进入了探索物质深层规律的新阶段。为了深入研究原子核和基本粒子的性质，科学家们研发了粒子加速器。这种装置能将带电粒子加速到接近光速，并在碰撞中产生类似恒星内部乃至宇宙早期的极端环境，从而揭示原子核的结构和物质的基本规律。
在众多种类加速器中，重离子加速器尤为重要。它以较重的原子核为加速对象，是核物理、核天体物理等研究不可或缺的工具，同时在医学、材料、航天等领域有着广泛应用。
随着科学研究向极端条件迈进，建造高性能、高流强的重离子加速器已成为推动核科学前沿发展的迫切需求。2018年起，我国在广东惠州启动了强流重离子加速器（High Intensity heavy-ion Accelerator Facility，简称HIAF）的建设。目前，这一国家重大科技基础设施已通过工艺验收，标志着该装置完成所有工程建设内容，进入试运行阶段。它将对我国的物理学发展产生深远影响。
什么是强流重离子加速器？
什么是强流重离子加速器呢？要了解这一点，我们首先需要了解粒子加速器的原理。
在初高中物理中我们学过，原子由原子核和核外电子构成。如果一个或多个电子被剥离，中性原子就会变成带正电的离子。将这些离子放入加速器中，通过电场不断提高它们的速度，再利用磁场控制其运动轨迹，就能获得接近光速的高能束流。
在早期的大多数粒子加速器中，科学家主要使用电子或质子等较轻的粒子束流。它们适合研究基本粒子的性质，但在研究复杂原子核性质时存在局限。为了更好地实现实验所需的极端条件，研究者开始使用元素周期表中原子序数大于2（即锂及以上元素）的原子来制造离子，这类离子统称为重离子。
这些高速重离子就像“微观炮弹”，可以轰击目标原子核或者相互碰撞，产生极端的温度、压力和能量状态，模拟恒星内部、超新星爆发，甚至是宇宙大爆炸初期的环境，帮助科学家探索物质深层次结构。
借助这些条件，科学家不仅能研究原子核的存在极限和稳定性，还能探讨重元素在宇宙中的形成机制，甚至探索质子和中子内部夸克—胶子等离子体等极端物质态。
然而，无论是轻离子还是重离子，其个体都极其微小，使其精准地打靶或碰撞，本身就是巨大的挑战，并且成功碰撞的概率非常小。如果一次实验里参与碰撞的离子数目太少，研究者就得不断重复实验，可能需要花费数月甚至数年才能收集到足够的实验数据。
因此，科学家们提出必须大幅提高单位时间内加速的离子数量，也就是所谓的“强流”。HIAF在这方面具有显著优势：它能够加速的离子数比传统加速器高出千倍甚至万倍。以氧离子为例，一次加速的数量可达约7000亿个，速度接近光速的96.4%。这意味着实验效率大幅提升，许多原本需要长时间积累的实验数据，现在可能在一天甚至几小时内就能获得。更形象地说，这种“强流”的效果就像童年经典游戏《魂斗罗》里把单发子弹的“豆豆枪”换成一次能打出五发子弹的霰弹枪，“杀伤效率”可以成倍提升。
一句话总结：强流重离子加速器是一种能够产生海量接近光速的重离子束流，用于探索原子核结构、物质极端状态和宇宙演化规律的大科学装置。
为什么要建设强流重离子加速器？
HIAF是我国国家重大科技基础设施建设项目，也将是我国迄今规模最大的重离子加速器，经过近7年建设，目前已通过工艺验收，进入试运行阶段。之所以要建设这座科学重器，是因为其具有重大的科学价值以及巨大的应用潜力。
在基础研究方面，它有望回答一些长期悬而未决的科学问题，比如：
1. 原子核中最多能结合多少个质子和中子？这关系到原子核能够存在的边界和物质稳定性的极限，同时也能为人类探索新的元素提供重要线索。
2. 比铁更重的元素如何在宇宙中形成？这是理解恒星爆炸和宇宙演化的关键环节，也解释了地球上金、铀等重元素的来源。
3. 原子核一般由质子和中子组成，而维系它们结合在一起的作用力（核力）从何而来？这正是维系原子核稳定存在的根本。
4. 质子的质量和自旋这些基本属性又从何而来，也还没有找到确切的来源。
换句话说，人类对物质最深层次的理解依然是极不完整的。
与此同时，重离子加速器的作用也早已超出基础研究领域。
在医学上，重离子束可以高效摧毁癌细胞，对周围正常组织的损伤更小；在材料科学中，它可用于辐照模拟与材料改性，产生高性能特异材料；在农业中，它可用于辐射育种，培育出品质优异的水稻、小麦、中草药等植物新品种；在空间科学与国防中，它能模拟宇宙辐射环境，用以提升航天探测器和电子设备的安全可靠性。可以说，从揭示宇宙起源到改善日常生活，重离子加速器都有着直接而深远的意义。
另外，历史经验同样表明，重离子加速器是取得重大科学突破的重要平台。
美国布鲁克海文国家实验室的重离子加速器群，曾促成了 J/ψ 粒子的发现和 μ 中微子的首次观测，并在实验室中制造出“夸克—胶子等离子体”，相关成果屡获诺贝尔物理学奖。德国亥姆霍兹重离子研究中心则在 20 世纪末发现了多种新元素，并在重离子肿瘤治疗和医学加速器技术方面取得多项开创性成果。日本理化学研究所建成的放射性同位素束流工厂（RIBF），已发现逾150种新核素，更是合成了 113 号元素“Nh”（源自Nihon，即日本），彰显了日本在核物理领域的重要地位和贡献。我国的兰州重离子研究装置（HIRFL）同样发挥了重要作用，不仅在新核素合成和原子核质量测量方面取得重要成果，也支撑了氢弹研制、空间探测等国家任务，并推动了重离子治癌、辐照育种、核孔膜等成果转化。这些事实说明，重离子加速器一直是推动物理学前沿和服务社会应用的重要利器。
然而，在现有加速器条件下，大量理论预研仍难以得到实验检验，仍有许多重大科学问题有待解决。研究者迫切需要更高的束流强度和更宽的能量范围，以在实验室里实现各种实验所需的极端束流条件。
正是在这样的背景下，强流重离子加速器（High Intensity heavy-ion Accelerator Facility，HIAF）应运而生。它聚焦于“探索原子核存在极限、揭示核天体物理过程、推动核能开发和多学科应用”三大目标，能提供国际上脉冲流强最高的重离子束流，拥有世界上精度最高的核质量环形谱仪。HIAF不仅代表着我国核科学研究迈向国际领先的决心，也为解决人类共同关心的科学难题提供了全新的可能。
HIAF是如何工作的？
HIAF是如何实现数千亿重离子加速的呢？
正如我们前文提到过的，粒子加速器的原理都很类似，首先把原子中的电子剥离，从而形成离子；其次，与磁铁同性相斥的原理类似，带正电的离子在电场中因受力而被不断加速；同时，磁场控制运动着的离子束进行偏转。
HIAF 也遵循这一思路，它的工作过程具体可以分为几个主要环节。
首先，超导 ECR 离子源是整个装置的起点。这里，原子的电子被剥离，生成带电的离子，并获得初始能量。接着，离子进入超导直线加速器，在一系列射频电场的推动下逐级加速，速度迅速提升。随后，它们进入能量增强器——一个环形的加速器，在同步电磁场的作用下不断绕圈，被进一步加速到接近光速。最后，离子束被引导进入实验靶区，与靶原子核相撞，产生各种次级粒子和新现象，供科学家探测和分析。
与电子加速器相比，重离子加速器更具挑战性，因为重离子质量大、种类多且不稳定，需要更复杂的束流操控以及冷却等技术手段。HIAF 的亮点在于，它能覆盖从百万电子伏特每核子（MeV/u）到十亿电子伏特每核子（GeV/u）的宽能区，既能提供极高强度的束流，又能灵活满足不同实验需求。经过十六年的技术攻关，科研团队已经突破了离子源、直线加速器和同步加速器等关键技术，为 HIAF 具备国际领先的综合性能奠定了建设基础。
在这里，未来将……
作为目前世界最先进的重离子加速器之一，HIAF 承载着揭示物质奥秘、推动核技术应用发展的重要使命。它的建成，将使科学家能够在多个方向上迈出实质性步伐。
在基础研究方面，未来将在这里诞生大量地球上从未产生过的放射性核素，帮助科学家寻找原子核存在的边界，例如“最重的核”或“含最多中子的核”，并探索“超重核稳定岛”，有望率先合成新的元素。同时，它还能揭示一些奇特的核结构，发现超出既有理论的新现象。HIAF 还能对寿命极短的原子核进行高精度测量，特别是与天体核反应相关的关键核素，为解释宇宙中重元素的起源提供直接证据。
在应用层面，HIAF 将为高能量密度物理研究提供条件，有望为惯性约束聚变等新型能源探索提供支撑。依托HIAF，还能建设先进的粒子束辐照平台，用于检验和改进航天器与核电材料的耐辐射性能，支撑材料科学、空天探测、先进核能等领域研究。医学上，HIAF 能够推动重离子治癌与医用同位素药物的研发，推动高端医疗技术发展，造福人类健康。农业和食品领域也能受益，例如辐照育种和食品保鲜。
在全球科技竞争日趋激烈的今天，先进重离子加速器的建设不仅代表着一个国家在核科学研究上的实力，也体现了工程技术和跨学科创新的综合水平。HIAF 的运行，将为我国提供世界一流的研究平台，显著提升自主创新能力。未来，借助 HIAF，我们或许能揭示宇宙、生命与物质的更多奥秘。
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