中国极化电子离子对撞机计划

轻子散射实验是探索核子与原子核结构的理想工具。中国电子离子对撞机(Electron Ion Collider in China,EicC)建议书设想在已开建的强流重离子加速器装置(High Intensity heavy ion Accelerator Facility,HIAF)的基础上,升级质子束流为20 GeV的极化束流,并建造2.8~5 GeV极化电子束流,从而实现质心系能量为15~20 GeV的双极化电子-离子对撞。EicC设计的亮度为(2~4)×10^33cm^-2·s^-1,质子束流极化率达到70%,电子束流极化率达到80%。该装置除了能提供极化轻离子束流(例如:氦-3)外,也可产生非极化重离子束流(碳-12~铀-238)。EicC将聚焦核子海夸克部分子结构、原子核物质结构与性质、奇特强子态三个方面的物理研究。高亮度、高精度的对撞机有助于精确地测量核子结构函数并对核子进行三维成像,揭示强相互作用的动力学规律;原子核部分子分布包括核子短程关联以及原子核介质效应同样是该提案的重要科学目标;EicC能区接近重味夸克产生阈值,在研究重味强子谱方面拥有低背景的独特优势,有助于发现研究新的奇特强子态。质子质量起源问题也可以通过重味矢量介子的产生来研究。为了完成上述物理目标,我们将利用最先进的探测器技术建造接近全立体角覆盖的EicC对撞机谱仪。在准备EicC白皮书的过程中,我们得到世界各国专家的支持。EicC的物理与已有的实验和美国即将建设的EIC中的物理项目相互补充。EicC的建成及运行有望引领前沿的中高能核物理研究,使我国在加速器和探测器先进技术等领域实现跨越式发展,为我国核物理与强子物理以及相关科学领域提供大型综合实验平台与人才培养基地。

中国极化电子离子对撞机(EicC)物理及探测器设计研究

核子(质子和中子的总称)大约占宇宙中可见物质总质量的99%.作为构成宇宙可见物质中的最主要成分,核子也是研究强相互作用,尤其是禁闭区非微扰QCD的重要实验室.电子离子对撞机(Electron Ion Collider, EIC),被称作当代卢瑟福散射实验,是人类认识物质世界深层次结构,特别是核子与原子核结构的理想工具.中国极化电子离子对撞机项目设想在已开建的HIAF高能离子束的基础上升级建造中国电子-离子对撞机(EIC in China,EicC),为我国核物理与粒子物理以及相关科学领域提供大型综合实验平台.本文综述了EicC在核子内不同味道海夸克的一维自旋味道结构、横动量依赖部分子分布函数、广义部分子分布函数测量的理论和模拟研究,展示了EicC在以上测量中可达到的预期精度,以及与现有测量精度的对比.另外,本文也综述了EicC在质子质量起源、重味强子谱、核介质效应及π介子的内部结构等重要物理问题中的潜在贡献,以及EicC探测器概念设计.EicC装置将有力地促进人们对核子自旋和质量的起源、夸克胶子禁闭机制等基本问题的理解.

中国极化电子离子对撞机探测器设计

核子是构成宇宙可见物质的最主要成分,也是研究强相互作用的最佳实验室。对核子内部结构的研究是当前理论和实验研究的重要前沿。在核子内部结构的实验研究中,电子-离子对撞机(Electron Ion Collider,EIC)是最理想的装置,能提供核子内部最清晰的图像,是人类认识物质世界深层次结构,特别是核子与原子核结构最理想的工具。中国极化电子离子对撞机EicC项目,设想在已开建的HIAF高能离子束的基础上进行升级:将离子束流升级成15~20GeV的极化束流,建设3~5GeV高能极化电子束流,实现质心系能量为10~20GeV双极化电子-离子对撞,在海夸克能区对核子内部结构进行精细测量,并对质子质量、奇特强子态等诸多重要物理课题展开研究。在本文中,我们开发了EicC快模拟软件,对探测器性能进行参数化模拟;通过物理模拟汇集EicC探测需求,利用探测器模拟软件进行优化并提出EicC探测器谱仪的初步设计方案。该谱仪方案提供了接近全立体角的覆盖范围和大动量范围内的粒子鉴别能力,兼顾EicC项目丰富的物理课题。

电子-离子对撞机上开展核子及其激发态研究的建议

核子及其激发态性质研究一直是中高能核物理的一个重要研究领域。然而,到目前为止,对核子及其激发态内部结构的了解还处在初级阶段。首先介绍了核子及其激发态研究现状,指出了三夸克模型在描述核子特别是核子激发态内部结构方面存在很大的缺陷。为解决传统三夸克模型的不足,有一种新的观点认为虽然独立的五夸克态不存在,但是核子及其共振态中存在可观的五夸克激发。这种五夸克图像提供了一个描述核子内部结构的新见解,给出了与经典三夸克图像相当不同的核子激发态谱预言,还有待实验检验。目前国内外正在论证的电子–离子对撞机(EIC)将是研究核子结构下一代最重要的加速器装置,被视为"超级电子显微镜"。由于EIC有较高的能量和亮度,特别是低本底等优势,可以开展核子及其激发态性质的研究以及新强子态研究。

中国极化电子—离子对撞机

电磁相互作用把质子与电子束缚起来,形成氢原子。人类对于电磁相互作用的深刻认识发展出智能手机和信息技术,给日常生活带来了极大的便利。相比之下,夸克和胶子如何被强相互作用束缚从而形成质子与中子,人类还缺乏充分的认识。因此,全球的中高能核物理学家提出了建设未来高精度极化电子—离子对撞机以对其进行更深入的研究。文章主要介绍中国极化电子—离子对撞机实验上的物理问题,以及量子色动力学格点计算在这些物理研究中的重要作用。