相對論性重離子對撞機

**相對論性重離子對撞機**（relativistic heavy ion collider，RHIC）是全球第一座重離子對撞機，也是唯一的一座自旋 - 極化質子對撞機。RHIC 由美國布魯克黑文國家實驗室負責管理和運營，位於紐約州阿普頓市。它是美國唯一運行中的粒子對撞機，也是目前全世界僅有的兩座運行中的重離子對撞機之一，另一座是歐洲核子研究組織擁有的大型離子對撞機實驗。RHIC 可將重離子加速至接近光速後發生碰撞，實驗產生高溫和高壓。物理學者相信可以利用它研究宇宙在大爆炸發生不久後的物態，比如夸克 - 膠子漿。

截至 2019 年，RHIC 是世界第二高能量的重離子對撞機，僅次於歐洲核子研究組織的大型強子對撞機（LHC）。2010 年 11 月 7 日，LHC 在鉛離子的對撞中觀測到了更高的能量，並至今保持這一紀錄。但是，重離子對撞只是 LHC 的實驗之一。LHC 可用於重離子對撞的時間被限制在每年一個月左右。

2010 年，RHIC 公布了早期實驗的溫度測量結果。在金離子對撞實驗中，觀測到了 345 MeV 的溫度，相當於 4 萬億克耳文或 7 萬億華氏度。這導致了我們所熟知物態的徹底解體，可能產生了類似液體的夸克 - 膠子漿。

2020 年 1 月，美國能源部科學辦公室決定，在現有 RHIC 設施的基礎上進行升級並建設電子離子對撞機（EIC）。這一升級將歷時十年，並耗資 16 到 26 億美元。升級工程於 2020 年 9 月 18 日正式開工。

## 加速器

RHIC 擁有兩個獨立的儲存環，分別標記爲藍環和黃環。重離子和 / 或極化的質子以相反的方向加速，可自由選擇對撞幾乎任何帶正電荷的離子（未來的 EIC 升級將允許對撞正負離子）。RHIC 的雙儲存環均呈六邊形，周長爲 3834 米，使用 1740 個鈮 - 鈦導體的超導磁鐵對其中儲存的粒子進行偏轉和聚焦。這些二極磁鐵的磁通量密度爲 3.45 T。

重離子在電子束離子源加速器（EBIS）中產生，進入圓形輔助加速器（booster），經加速後進入交變梯度同步加速器（AGS），然後通過光束線將重離子注入 RHIC 的兩個環。在 RHIC 中，重離子束受到無線電波的加速，並在環內運行一段時間，為對撞做準備。RHIC 還可以進行偏振質子的對撞實驗。偏振質子在綫性加速器中產生，然後在輔助加速器、AGS 和 RHIC 中進一步加速後對撞。STAR 和 PHENIX 兩個大型實驗分別位於 RHIC 儲存環的 6 點和 8 點位置。PHENIX 實驗目前正在進行升級，未來將成爲 sPHENIX。

以金原子為例：中性金原子中共有 79 個電子。在離開離子源加速器 EBIS 時，每個金離子的動能爲 2 MeV，帶有 32 個正電荷。在圓形輔助加速器中，每個金離子被加速到 100 MeV 的動能，並進一步被剝離 43 個電子。帶有 77 個正電荷的金離子被注入到 AGS 中。它們最終達到 8.86 GeV 的動能，且外層電子被全數剝離。這時，金原子核 $\mathrm {Au^{79+}} $ 可以通過轉移線（AtR）注入到 RHIC 存儲環中，可以開始對撞。

RHIC 已探索過的對撞粒子組合包括 $\mathrm {p+p} $ 、 $\mathrm {p+Al^{13+}} $ 、 $\mathrm {p+Au^{79+}} $ 、 $\mathrm {{_{1}^{2}H^{+}}+Au^{79+}} $ 、 $\mathrm {{_{2}^{4}He^{4+}}+Au^{79+}} $ 、 $\mathrm {{Cu^{29+}}+Cu^{29+}} $ 、 $\mathrm {{Cu^{29+}}+Au^{79+}} $ 、 $\mathrm {{Zr^{40+}}+Zr^{40+}} $ 、 $\mathrm {{Ru^{44+}}+{Ru^{44+}}} $ 、 $\mathrm {{Au^{79+}}+{Au^{79+}}} $ 和 $\mathrm {{U^{92+}}+{U^{92+}}} $ 。對撞粒子的速度通常爲光速的 99.995%。對於 $\mathrm {{Au^{79+}}+{Au^{79+}}} $ ，對撞時質心能量通常是每對核 7.7 GeV 到 200 GeV 之間。

RHIC 平均亮度（單位截面碰撞的頻率）的設計目標是 2×1026 cm-2s-1。目前 $\mathrm {{Au^{79+}}+{Au^{79+}}} $ 對撞的平均亮度已達到 87×1026 cm-2s-1，是設計值的 44 倍。 通過隨機冷卻可大幅提高重離子對撞的亮度。

RHIC 的獨特之處在於它能夠對撞極化質子。目前 RHIC 保持著能量最高的極化質子束記錄。極化質子被注入 RHIC，並在加速過程中保持一直極化。這項任務藉助於被戲稱爲「西伯利亞蛇」的 4 個螺旋二極磁鐵來完成。 2009 年 2 月 12 日，RHIC 的第九次運行（Run-9）實現了 500 GeV 的質心能量。 在第十三次運行中， $\mathrm {p+p} $ 對撞的平均亮度達到了 160×1030 cm-2s-1，時間和強度平均偏振率爲 52%。

## 部分實驗結果

最初，RHIC 的理論物理學者急於宣佈他們的實驗發現了夸克 - 膠子漿（如：Gyulassy & McLarren）。但是實驗物理學者較爲謹慎，稱仍需進一步確認。 很多物理學者猜測，夸克 - 膠子漿是一種只參與弱交互作用的電漿。目前的結果表明，RHIC 實驗產生的物質是一種粘度接近量子理論極限的流體，但與猜測的電漿不同。

RHIC Experimental Evaluations 2004 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）對 RHIC 頭三年收集的數據進行了綜述，以評估當前數據是否發現了新物態。

2010 年 2 月 16 日，發表在物理評論快報上的一篇論文稱，RHIC 發現了對稱性轉換的可能徵兆。觀測結果表明，離子在 RHIC 中對撞後形成的氣泡可能違反了宇稱對稱性，而宇稱對稱性通常是夸克和膠子之間色荷交互作用的特徵之一。

## 對高能物理實驗的批評

RHIC 運行之前，有批評者認爲其極高的能量可能會產生災難性的後果，比如創造出黑洞、過渡到不同的量子力學真空態 (參見假真空)，或創造出比普通物質更穩定的奇異物質。這些假說千奇百怪。許多人預測地球將由於 RHIC 的實驗在幾秒鐘到幾千年的時間內毀滅。然而，太陽系的天體（如月球）被能量明顯高於 RHIC 和其它人造對撞機的高能粒子轟擊了幾十億年，卻沒有造成任何傷害。這證明這些假說缺乏根據。

另一個爭議問題是批評者要求物理學者證明這種災難性結果的發生機率爲零。但物理學家無法證明這一點。關於 RHIC 粒子加速器可能引發的災難，媒體上多有討論。有人説，RHIC 引發末日情景的風險至少有五千萬分之一的可能性。關於 RHIC 可能產生奇異夸克團，牛津大學物理學教授法蘭克・克洛斯表示，「這種情況發生的機率就像你連續 3 周中彩票的大獎一樣。但問題是人們相信連續 3 周中彩票是可能的」。經過詳細的研究，科學家們認爲，第一，RHIC 的重離子實驗不會危及地球；第二，存在有力的經驗證據説明 RHIC 不可能產生危險的奇異夸克團。

這場爭論以布魯克黑文國家實驗室委員會發佈最終報告收場。該報告排除了 RHIC 引發災難的可能性。 但該報告承認，高速宇宙射線撞擊產物在穿越地球時與「靜止」的 RHIC 產物相比，可能有不同的表現。另外，報告也同意高能質子與地球或月球的碰撞與 RHIC 的金離子對撞可能存在本質上的不同。隨後反對者試圖在舊金山和紐約發起聯邦訴訟來阻止 RHIC 的實驗但沒有成功，兩起訴訟分別被駁回。但法庭表示，如果事件有進一步發展，允許原告重新提告。

## 財務資訊

RHIC 項目由美國能源部、科學辦公室、核物理學辦公室資助。2003 年，其項目預算爲 6.166 億美元。 2006 財政年度的業務預算比前一年減少了 1610 萬美元，達到 1.155 億美元。該年度運營成本的一個部分（1,300 萬美元）來自於私人贊助，據信該資金來源和華爾街對衝基金文藝複興科技公司有密切關系。

2012 年底，美國核科學咨詢委員會（NSAC）向能源部科學辦公室和國家科學基金會提出建議，如果未來四年的核科學預算繼續沒有增長，如何實施 2007 年制定的核科學長期計劃。國家科學咨詢委員會傾向於關閉 RHIC，而不是取消稀有同位素束設施（FRIB）的建設。

2015 年 10 月，預算狀況有所改善，RHIC 在下一個十年中可以繼續運作。

## 小說中的 RHIC

* 美國作家本福德的科幻小說《宇宙》（Cosm，ISBN 0-380-79052-1）發生在 RHIC。該小説主人公 Alicia Butterworth 是一名物理學家。她在 RHIC 用鈾離子對撞時，意外創造了一個新的宇宙。
* 美國作家基恩的小說僵屍崛起中，RHIC 對撞實驗的副作用是該小說及其續集《死人城》（City of the Dead）中僵屍起義的直接原因。
* 在美國作家古登的《雷洛利亞的記憶》（Rayloria's Memory）系列小說第一部《雷洛利亞的黎明》（Raylorian Dawn，ISBN 1466328681）的開頭說，每個月球城及其空間站都由 RHIC 提供動力。

## 參見

* 大型強子對撞機

## 來源

## 延伸閲讀

* M. Harrison; T. Ludlam; S. Ozaki. The Relativistic Heavy Ion Collider Project: RHIC and its Detectors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2003, **499** (2–3): 235–880 [2021-01-17]. Bibcode:2003NIMPA.499..235H. doi:10.1016/S0168-9002(02)01937-X. （原始內容存檔於 2021-04-15）.  Preprints are available at

　
: * BRAHMS （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* PHENIX （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* PHOBOS （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* STAR （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

## 外部連結

* 維基共享資源上的相關多媒體資源：相對論性重離子對撞機
* Brookhaven National Laboratory Collider-Accelerator Department （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Relativistic Heavy Ion Collider （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Relativistic Heavy Ion Collider at Google Maps
* RHIC Run Overview （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）