我国EIC计划和核子及其激发态

原子核是一个强相互作用的多核子系统，是物质结构的一个重要层次，以下是小编搜集整理的一篇探究我国EIC计划和核子及其激发态的论文范文，供大家阅读借鉴。

1引言

原子核物理学是一门不断发展的学科，传统核物理的研究内容主要是基于核子自由度研究原子核的结构、性质及其相互作用。随着人们对微观世界认识的深入，比如夸克和胶子的发现、强相互作用理论量子色动力学(QCD)的建立，使得当前的核物理研究领域大大扩展。既然原子核是一个多核子系统，它的整体性质和运动形态应该由它内部的核子的性质以及核子之间的相互作用(核力)来决定，这就需要从实验和理论两个方面深入研究核子的结构和性质。因此，研究最小的核物质系统(核子及其激发态、多夸克态与双重子态等)的内部夸克–胶子结构已经成为新的核物理研究前沿。

在QCD理论框架下，核子的经典图像是由三个夸克(质子：uud，中子：udd)组成。但是，QCD理论具有“色禁闭”(又称“夸克禁闭”)性质，实验上无法直接观测到核子内部的夸克和胶子。从这种意义上说，核子是能从物质中分离出来的、是已观测到具有内部结构的最小物质单元之一。而且，核子是可见物质世界的基础，占可见物质的99%以上，是组成物质世界的“原材料”。再者，可见物质世界的质量主要来源于核子及其相互作用。因此，研究核子内部结构和核子之间相互作用能够加深我们对微观物质世界的理解和认识。

核子是体现QCD理论三种颜色合成无色态及其非阿贝尔特性的最简单费米子系统，但目前QCD理论仍不能定量地描述核子内部的夸克–胶子结构，甚至连核子内部的有效自由度到底是什么都还不清楚。而且，越来越多的实验迹象表明，核子内部有明显的多夸克成份，胶子成份也对核子自旋极化等问题有一定贡献。此外，如何在夸克层次上描述核力、是否存在多夸克态和双重子态以及核内核子的夸克–胶子结构与自由核子有何不同等，都是当今受到普遍关注的核物理基本问题，对这些问题的研究能够提升我们对强相互作用的理解和认识。同时，这些研究对于天体物理、粒子物理标准模型在核物理中的检验、核技术应用等也具有重要意义。

目前，除核子之外，在实验上虽然已经发现了一定数量的重子及其激发态，但是对它们性质的了解还很贫乏，进一步从理论和实验上精确研究这些重子的内部结构特别是谱学性质很有必要。在近代科学发展史上，谱学研究是人们探索微观物质世界非常有效的工具。例如通过对原子能谱的研究，得到了波尔量子理论;通过对原子核谱的研究，成功提出了壳模型和集体运动模型。由此，我们期待通过对核子及其激发态谱学的研究，加深对微观世界的了解。

随着国家经济实力的增强和国家科学技术发展的需要，我国逐步建造了一批大科学装置。北京正负电子对撞机BEPCII升级成功，兰州重离子加速器冷却储存环装置(CSR)建成投入使用，均已取得重要物理成果。目前，在CSR上新建一个CSR外靶实验装置(CSRExternal-targetExperiment，CEE)的项目(即“低温高密度核物质探测谱仪”)也在申请之中。CEE有别于其它国际上同一能区的重离子碰撞实验装置，它将强调包括前角区在内的产物及其关联的测量，利用CSR的重离子束流研究极高重子数密度下核物质的相结构，这将是一个在这一能区下世界上唯一的核物质测量谱仪。另外，为了使我国核物理基础研究在激烈的国际竞争中占有一席之地并为人类探索物质结构做出重大贡献，同时满足经济社会发展对重离子束流的重大需求，中国科学院近代物理研究所提出建造一台强流重离子加速器装置(HighIntensityheavyionAcceleratorFacility，HIAF)，HIAF已经列入“十二五”国家重要战略装置计划。HIAF建成后，将是世界上最先进的重离子科学综合研究装置之一，具有潜在的开展电子-质子(重离子)对撞实验能力。这些装置是人类探索微观物质世界的深层结构的有效途径，是核物理和粒子物理交叉研究领域的前沿，为研究核子结构和QCD理论的.低能特性提供了理想实验平台。

2核子及其激发态研究现状

自从发现(1232)重子以来，大量的核子共振态在πN散射过程中观测到。质量在1.7GeV附近及以下的核子激发态的性质都已经被确定，然而高质量区域的核子激发态性质无论实验上还是理论上研究都不是很多。除πN散射实验装置之外，国际上还有比较多的γN或者eN散射实验装置来研究核子激发态。

这些装置主要包括美国杰佛逊国家实验室(JLab)的CLAS/CEBAF、德国的MAMI和ELSA、法国的ESRF和日本的LEPS/Spring-8等等。

由于量子电动力学(QED)已经被透彻地理解，因此，与πN散射等强子探针实验相比，电磁探针特别是光子探针比强子探针更为干净，对于研究核子及其激发态性质有其独特的优点。另外，电磁过程对于研究那些与πN耦合比较弱的核子激发态也有绝对的优势。

因此，光子–质子和电子–质子碰撞实验逐步成为研究核子共振态的主要实验手段。表1列出了目前实验上对核子及其激发态研究现状的总结，相关数据取自文献。这些粒子的确定度用“*”的多少来表示，“*”越多，表示该粒子的确定度越高。例如，“****”表示该粒子确定存在，而且它的一些性质，诸如质量、宽度和衰变分支比等也比较确定。从表中可以看出，大部分核子激发态的确定度都在“****”以下，还有一些核子共振态的质量和宽度甚至自旋宇称都还“不确定”，这说明我们对于核子激发态性质的研究还远远不够。

理论方面，经典夸克图像表明，核子及其激发态由三个夸克组成。夸克模型在描述基态重子属性方面取得了很大的成功，特别是它们的质量关系，曾经成功地预言了含有三个奇异夸克的重子。然而，随着更多更精确实验数据出炉，这种简单的三夸克图像已经很难解释某些实验现象。更有甚者，在某些能区，理论计算与实验数据之间存在很大分歧。比如，经典三夸克图像指出，质子奇异自旋和奇异磁矩应该为零，而实验结果并非如此。这说明我们对核子内部结构的认识还非常粗浅，对一些核子及其激发态相关的基本问题的理解也非常粗糙。除了夸克被认为是核子内部一个有效自由度之外，核子内部的其它有效自由度是什么?这个问题至今没有答案。经典三夸克图像的不足促使人们对核子以及激发态的结构进行更加深入的研究，也促使人们不断努力，寻找新的核子及其激发态内部结构图像。

为解决传统三夸克重子结构模型的不足，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。这种模型要求从夸克海中拉出一对正反夸克，其中拉出来的夸克与核子内部组份夸克形成“偶夸克”(diquark)有色集团，然后再构成整个无色的核子及其激发态，也可以形成两个无色强子构成的强子分子态。这种过程的激发能有可能比传统三夸克模型通过径向和轨道激发得到核子激发态的激发能要低，因此，对于某些核子激发态而言，其内部五夸克成份有可能占主导地位。

基于此五夸克成份图像，可以定性解释核子的奇异性质。同时，这种五夸克图像给出了与经典夸克图像相当不同的核子激发态谱预言，有待实验检验。另外，在五夸克图像基础上，考虑手征超精细相互作用，文献[15]把原来对五夸克系统能谱的预言，扩展到七夸克系统，对基态和轨道第一激发态能谱进行了理论预言，这些结果也有待将来实验检验。

既然核子内部可能存在正反奇异夸克对ss，随着激发能量的升高，在4GeV以上，核子内可以出现粲夸克对cc，即存在隐粲核子共振态，以及质量在11GeV附近含有美夸克对b

b的隐美超子共振态存在。由于普通核子共振态在3GeV以上核子共振态的数量急剧增加，在4GeV以上的能区接近于连续谱，而且隐粲核子共振态宽度比较窄，因此在实验上较容易被发现。

我国北京正负电子对撞机(BEPC)在研究核子激发态方面有其独特的优点。由于J/ψ粒子的同位旋为零，而核子或者反核子的同位旋为1/2，则根据同位旋守恒可知J/ψ→NNπ和J/ψ→NNππ衰变末态πN和ππN系统的同位旋只能为1/2，而没有同位旋3/2的(1232)重子及其激发态的贡献。

因此，上述J/ψ衰变过程是研究同位旋1/2的核子激发态的优良场所。事实上，从1992年到2012年，粒子数据表(PDG)上收录的核子激发态总共增加了七个，其中三个都是基于BEPC的北京谱仪合作组分析J/ψ或者ψ(3686)衰变数据得到的，它们分别是N3/2+(2040)、N1/2+(2300)和N5/2(2570)。目前BEPCII上的北京谱仪探测器已经采集了约12亿的J/ψ事例和6亿ψ(3686)事例，可以期待这些高统计量的实验数据带来更多的核子激发态研究的新结果。

除BEPC之外，CSR上面通过质子–质子散射过程或者质子–原子核散射过程也可以产生核子激发态，为研究核子激发态性质提供了一个与BEPC互补的、新类型的研究平台。

3我国EIC计划和核子及其激发态

很长时间以来，电磁探针一直是提取原子核和核子内部信息的最重要工具，这是由电磁探针本身具有的清洁性和易控性等优点所决定的。电磁探针的一个新发展方向是电子–离子对撞机(EIC)。

目前，国际核物理界几乎已形成共识：EIC将是研究核子、原子核内夸克胶子分布的最有效设备，是高能核物理界研究核子结构下一代最主要的加速器装置，被视为“超级电子显微镜”，它能提供核子内部结构最清楚的图像。提议中的EIC计划包括美国RHIC的eRHIC和JLab的ELIC，以及欧洲大型强子对撞机(LHC)上的LHeC和德国GSI/FAIR上的ENC等。

在我国，中国科学院近代物理研究所提出在HIAF上建造强流高能电子加速器和先进的EIC机器，开展核子结构等方面的前沿研究。EIC@HIAF初期暂定目标为电子能量3GeV，质子能量12GeV;亮度可达到4×1032cm2·s1;束流采用双极化(电子束流和质子/重离子束流均极化)。