未来 EIC@HIAF 计划与物理目标陈旭荣

中科院 近代物理研究所

第九届全国会员代表大会暨学术年会 ,华中师范大学，武汉， 2014 年 4 月 18 日 --23日1

提纲1. 引言2. EIC@HIAF计划3. EIC@HIAF物理4. 结论和展望

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引言：核子结构图像 根据粒子物理中的标准模型，质子由 3个夸克组成，这些夸克由强力组合在一起。该种力的载体胶子 今天，很明显，组成质子或中子的价夸克不能单独解释自旋现象，因为核子也由夸克，反夸克和胶子整个“海”组成。在极短时间内，胶子可分离为由夸克和反夸克组成的对。同样，这些夸克和反夸克又可生成胶子，等等。这样，发现质子里面有时隐时现的夸克，反夸克和胶子气泡“海”。 质子内部的变化远比以前人们认为的剧烈得多。现在实验已经证明，能量越高，则分辨率越高，越仔细看，看到的粒子就越多。夸克、反夸克和胶子形成质子内部很浓的“汤”。胶子和夸克 -反夸克对在质子内部不断地出现和消失 胶子和夸克的高密度是强相互作用力的一个崭新的方面， 至今实验上还未怎么研究过

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为什么需要 EIC?

在 JLab上改进到 12 GeV的连续电子束加速器（ CEBAF）被用以研究核子中价夸克支配的区域对胶子和海夸克进行研究则需要更高能标的电子——离子对撞机 (EIC)

EIC实验旨在研究核子的夸克 -胶子结构EIC能对原子核进行“断层扫面成像”，发现核子真实的三维结构，研究具有普适性的部分子分布电子离子散射 EIC机器的建造，将为我们在核子结构等领域做出重大发现提供良好的机会

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什么是 EIC

e-

e+

p极化电子极化质子

重离子 (Au)

极化轻离子 D, 3He极化正电子① 当与质子对撞时，点状电子像一个小的探头，对质子内部进行扫描② 电子穿透质子，碰到质子的一个组成部分 -夸克。夸克从质子中撞出，变成一个新的粒子喷注，这些新的粒子沿着电子和质子的碎片向所有方向散射③ 这些粒子在探测器中留下的轨迹使物理学家们就质子内部发生了什么变化得出结论④ 这可视为“超级电子显微镜”，它提供世界上质子内部最清楚的图像

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Main EIC plans in the world

RHIC eRHIC

LHC LHeC

CEBAF MEIC/EIC

FAIR ENC

HERA

EIC@HIAF

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国家重大科技基础设施建设中长期规划2013 年 1 月 16日，国务院常务会议讨论通过了《国家重大科技基础设施建设中长期规划 (2012-2030 年 ) 》。“十二五”期间，选择我国科技发展急需、具有相对优势和建设条件较为成熟的领域，优先安排 16 项重大科技基础设施建设，强流重离子加速器（ HIAF）是其中之一。十二五计划的起止时间为 2011~2015年十三五计划的起止时间为 2016~2020年国家发展和改革委员会主任徐绍史 2014 年 04 月 17日召开全国“十三五”规划编制工作电视电话会议，宣布启动编制国民经济和社会发展第十三个五年规划。

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EIC@HIAF 计划为了更好地利用我国自主建造的大科学装置，实现“一器多用”，推动我国的高能核物理发展，近代物理研究所提出建造先进的 EIC机器，开展核子结构等方面的前沿研究暂定初期目标为（～ 2022年）：①电子束流能量 3 GeV,②质子束流能量 12~16 GeV ；③ 亮度可达到 4×1032 cm-2s-1 ；④束流采用双极化（电子束流和质子 /重离子束流均极化）

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Overview of the HIAF complex

Low energy nuclear structure spectrometerLow energy RIBs beam stationHigh precision spectrometer3

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High purity & quality RIBs stationElectron-ion recombination resonance spectrometerHigh energy irradiation terminalHigh-Energy-Density Matter terminal External target station

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CRring extension

同类加速器比较

HIAF

EIC@HIAF: e(3 GeV) +p(12 GeV), both polarized, L = 4 x 1032cm2/s

EIC@HIAF 运动学区间 [0.01, 1]

左图：不同能量下的 EIC的运动学范围，以及和 JLab 12 GeV Upgrade 项目（固定靶）的比较。其中， Bjorken变量 x= Q2/ys，表示部分子动量相对质子动量的比率，低 x 意味着高能量； s为质心系能量， Q2为交换粒子（即虚光子）的能量平方， y为入射粒子能量损失比率。右图：质子内部的价夸克，海夸克和胶子的一维分布函数。EIC@HIAF 优势：这个区域是研究海夸克的最佳窗口，同时还可以研究胶子和价夸克；

和同类加速器相比， EIC@HIAF有什么优势呢？ EIC@HIAF第一期实验的 x 主要区间为 [0.01,0.1] ，

EIC@HIAF 实验对质子内部的了解比质子本身小 100 倍的结构，也就是说，小到 5×10-17 米。海夸克在 x = 0.1 处开始大量产生，是研究海夸克的最佳窗口。同时，可以价夸克和胶子的分布函数的信息EIC@HIAF的实验将比 JLab的运动学范围更广，在较大的部分子动量 x范围内，更有效地检验各种非微扰模型和格点

QCD计算，为最终揭示核子和原子核的夸克、胶子结构迈出重要一步美国和 CERN未来的 EIC 装置主要优势是研究胶子HERA实验获得了很多核子结构方面的实验结果，但是该实验的缺点是只有 ep散射，没有 eA散射，而且质子束流没有极化，其亮度也偏低（ 1031 cm-2s-1）。因此， EIC@HIAF 比 HERA有明显的优势， HERA发现的一些迹象，可在 EIC@HIAF上进一步研究。 12

EIC@HIAF 研讨会，兰州EIC@HIAF 研讨会，兰州 The 2nd International conference on QCD and Hadron

Physics（第一届：韩国浦项 APCTP） 会议宗旨： EIC物理讨论； HIAF上的强子物理研究 2013年 3 月 31日EIC@China 研讨会，威海 时间： 2013 年 7 月 27-30日 地点：威海，山东大学学术交流中心 受中国高能物理学会委托， 2013 年 7 月 27-30日在山东大学（威海）学术中心召开了“ 2013 EIC物理研讨会”

部分子分布函数一维的不依赖于横动量的分布函数包括： 自旋平均结构 f1(x) 和 f2(x) 自旋结构函数 g1(x) 和 g2(x) 三维分布函数：GPD 和 TMD GPDs – 1D momentum + 2D space distributions 作为部分子分布函数的直接推广，推广的部分子分布函数（GPD），能够给我们更多关于核子结构的信息 TMDs – 3D momentum distributions，通过 SIDIS过程测量

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EIC@HIAF 测量 GPD

由于 EIC@HIAF能量较高，可以实现深度虚介子产生（ DVMP）过程， DVMP过程可以分出不同味道的夸克分布函数

美国 JLab 12 GeV 装置的能量偏低，只能做 DVCS,不能从 DVMP过程干净地提取 GPD 函数信息

能量太高则 cross-section 降得太快也不合适所以 EIC@HIAF最合适

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EIC@HIAF 对 TMD 函数的测量目前，我们对于 TMD的认识还不多，大多信息只是局限在非极化的 TMD 和 Sivers 函数。对于其他的 TMD，比如

Boer-Mulders 函数，虽然有一些理论上的尝试工作，但是还不是很成熟 .需要更多的实验来证明JLab 12 GeV 项目将提供价夸克区域的有关 TMD 函数的精确信息EIC@HIAF则不但可以获得 Q2更广区域的价夸克 TMD 函数精确测量，而且可测量海夸克的 TMD 函数这些 TMD实验结果，将为 QCD 动力学研究，包括新 TMD和夸克胶子关联的演化方程研究，提供关键的实验数据

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六个 golden 物理目标 国内外专家经过充分讨论，提出了 EIC@HIAF的六个

golden物理实验目标：1. 海夸克极化的精确测量2. 夸克横向动量分布（ TMD）的精确测量3. 不同味道广义三维分布结构（ GPD）的精确测量4. 利用不同离子对强子化过程的详细研究5. pion/Kaon结构函数的精确测量6. EMC 和 SRC（核子 --核子短程关联）的详细研究

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美国 JLab SoLID 和 EIC@HIAF海夸克 TMD Sivers 函数的比较。 黑点 : EIC@HIAF 3 GeV电子和 12 GeV质子对撞过程，亮度 4×1032 cm-2s-1, 运行时间为 200天；空心圆圈： SoLID质子靶，亮度 1035 cm-2s-1, 运行时间 82.5天；空心三角： SoLID中子靶，亮度 1035 cm-2s-1, 运行时间 69天（美国杜克大学高海燕组提供）。EIC@HIAF 亮度虽然比 SoLID 低几个数量级，但是仍然可以达到 SoLID相同的精度

The TMD simulation: Projections for SIDIS Asymmetry π+

结结结结结结结结结结

DIS过程结构函数的测量误差模拟（ Paul E. Reimer(ANL)提供）。在 x≤0.9区域测量结果是很精确的（误差小于 3%） 这两个初步的 EIC物理模拟结果已经表明 EIC@HIAF在核子结构实验方面，相对于固定靶实验具有非常独特的优势 19

EIC@HIAF 研究计划物理和探测器的模拟： 陈剑平正在协助组织 6 个 golden measurements的模拟 探测器模拟和设计EIC@HIAF 白皮书写作 邱建伟、袁锋，陈剑平等英文白皮书写作 中文版（国内专家）相关的理论研究通过参加 STAR/eSTAR, Jlab/MEIC 和 CEE等实验，在近物所培养一支 EIC研究队伍

需要更多的国内外同行支持！20

结论和展望EIC物理是世界高能核物理界竞争非常激烈的一个领域EIC@HIAF区域是研究海夸克的最佳窗口，同时还可以研究胶子和价夸克在国内外专家的关心和积极推动下，争取中国 EIC 装置于

2022年左右完成美国 EIC最早有可能在 2022年开始建造，需 5 ～ 10年完成装置的建设。因此，中国 EIC 将在 5 ～ 10年甚至更长时间内在这一基础科学与相关技术研究领域处于世界领先地位专家提出了基于 EIC的高能电子束，进一步建设 Super

tau/charm 装置等初步设想在欧美建成 EIC 装置前就建成 EIC@HIAF，将使中国在核子结构研究领域处于世界领先地位

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