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四国高重子竞赛

2026-07-26

在QCD相图的右上角，有一片灰色的区域。温度适中，100到150百万电子伏左右，但重子密度很高——是普通核物质的三倍、五倍、甚至八倍。这片区域对应的不是早期宇宙，而是中子星的核心，是双中子星并合那一瞬间的物质状态。强相互作用物质在极高密度下会变成什么？有没有从强子到夸克物质的一阶相变？临界终点到底在哪里？答案要靠实验数据来给。2026年，全球有四台机器同时在瞄准这片灰色区域。

俄罗斯杜布纳的NICA，德国达姆施塔特的FAIR-CBM，中国惠州的HIAF-CEE，以及美国布鲁克海文已经完成采集的STAR BES-II。它们覆盖的能区和重子化学势范围拼接在一起，恰好是一张完整的QCD相图扫描网络。NICA：√sNN = 4到11 GeV，重子化学势μB = 300到580 MeV。CBM：2.7到4.9 GeV，μB = 400到600 MeV。CEE：1.9到4 GeV，μB = 590到880 MeV。BES-II：3到27 GeV，μB = 210到760 MeV。把四个设施的覆盖范围拼起来，从最高重子密度到最低，完整覆盖了μB从880到210 MeV的区间。

每一台有每一台的优势。NICA是四台中唯一一个（除已经关闭的RHIC以外）能运行对撞模式的设施。对撞模式意味着4π的球面覆盖——没有固定靶实验的前向集中，能在中心快度区对称地测量所有粒子。这是测量各向异性流和高阶涨落的最佳几何。CBM的口号是"速率"。它的反应率设计高达10兆赫兹——比NICA和BES-II高三个数量级。10 MHz意味着可以采集到足够多的稀有事件——多奇异超子、双轻子、粲夸克——来做精密测量。CBM在SIS100上的核心卖点不是"第一个"，而是"最精确的"。CEE覆盖了最高的重子化学势区域：μB接近900 MeV。它的铀束流强度据估计是NICA的50倍。在它的能区里，核物质被压缩到接近中子星最深核心的条件。BES-II的优势在于宽度。27到3 GeV的连续能量扫描已经完成，它的数据正在产出最后的结果：净质子涨落的非单调信号（PRL 135, 142301, 2025）是在19.6 GeV处发现的，那是BES-II的扫描范围。

但四台机器的命运在2026年出现了大幅分化。BES-II已经关闭了。RHIC在2026年2月6日完成了最后一次运行，结束了二十多年的重离子对撞使命，转入ePIC的建造。BES-II的全部数据已经采集完毕，但分析工作会持续到2030年左右——后期可能还有重要的论文出来。NICA在2026年取得了突破性的进展。1月，双环实现了束流循环。2月，两束反向旋转的束流同步通过了对撞点。同一个月，MPD超导磁体达到了0.57特斯拉的设计场强。探测器计划10月推到对撞点，年底拿到第一批对撞数据。但NICA有一个让人担心的瓶颈：离子源的传输效率只有5%。要到达设计亮度10²⁷ cm⁻²s⁻¹，亮度得提高两个数量级。

CBM被一场火灾重创了。2026年2月5日，GSI的UNILAC直线加速器发生火灾，造成了严重损坏。恢复时间表：轻离子2027年第四季度，中重离子2028年，全负荷运行要到2030年。CBM的首轮物理取数被推迟到了2028年。同时还有资金缺口：CBM实验大厅的建设还差大约4000万欧元。CEE刚刚迎来了自己的高光时刻。2026年7月21日，HIAF通过了中国科学院的工艺验收，转入试运行。氧束的强度达到了国际最高纪录的3倍，铋束达到了7.5倍。SRing在4月创下了11 keV质量精度的世界纪录，两倍于GSI的ESR。CEE探测器已经完成安装，2027到2028年将进入全面运行。

四个设施的进度条现在呈现一个有趣的时间序列。2026到2027年，NICA有独占窗口——CBM被火灾推迟、RHIC已经关闭、CEE还在从试运行到全面运行的过渡期。但NICA的低亮度意味着它的首年数据可能不是决定性的。2028年CBM上线后，它的高统计量可以快速覆盖NICA能区的低端（2.7到4.9 GeV）。CEE在自己的最低能区没有直接竞争者。这四个设施与其说是互相竞争，不如说是拼接了一个互补的相图扫描网络——除了CEP附近的一个重叠带。

QCD临界点的存在性是这个领域最大的争议。格点QCD的Wuppertal-Budapest合作组在2026年宣称，以84%的概率，临界点要么在T低于103 MeV的区域，要么根本不存在。Borsanyi等人的等熵线分析在2σ水平排除了μB低于450 MeV处的CEP。但Lacey立即反驳说，等熵线方法不是直接探测临界行为的手段，不能算模型无关。与此同时，理论模型给出的CEP坐标分散在一个很宽的区间内：全息QCD+ML给出(μB~740, T~94) MeV，fRG（Pawlowski）给出(μB~600-650, T~105-115) MeV，格点QCD Bielefeld-Parma给出(μB~422, T~105) MeV，Lacey的HBT唯象学给出(μB~95, T~165) MeV。差了将近700 MeV。

五个实验异常在理论界引起了广泛关注，但没有一个被完全解释。STAR BES-II的净质子C4/C2在19.6 GeV处出现了非单调下降，偏离基准模型2到5个标准差。但这个19.6 GeV对应的μB只有大约206 MeV，远低于大多数理论预言的CEP区域。K/π比率的horn结构在√sNN大约7.6 GeV处出现峰值，但三分量流体动力学发现——无论用纯强子EoS、一阶相变EoS还是crossover EoS——都无法复现它。NA61/SHINE在Ar+Sc碰撞中发现了荷电kaon相对于中性kaon的5.3个标准差的过剩，这在理论上完全没有准备。CME的非微扰分析（Abramchuk, 2025）表明这个效应仅在重子密度高且温度略高于退禁闭相变的窄条带内存在，意味着低能设施比高能设施更适合搜索。还有反Lambda的极化总是高于Lambda——这个现象超出了手征涡旋效应的理论范围——四个设施里目前只有NICA的对撞机几何能精确测量它。

天体物理观测对这几个设施的期待不同。GW170817对潮汐形变的约束倾向于较软的状态方程，给出中子星半径R₁.₄大约11.9到12.3公里。NICER的五颗脉冲星质量-半径测量在有些分析中给出了更大的半径——最轻的PSR J1231-1411甚至达到了13.5公里。这两类数据之间存在大约8%的系统张力。CBM因为统计量最高，最有希望从重离子碰撞流数据中独立判定高密度下EoS到底是硬是软——解决这个张力。CEE因为达到的μB最高，其π−/π+比和对称能测量将为中子星最深核心的组成提供最直接的约束。NICA的kaon流数据则在中等密度区——也就是NICER和GW170817张力最大的密度区域——补充了关键数据。

中国在这四台机器中扮演了一个在所有维度上都在场但深度不同的角色。在HIAF/CEE上，中国是拥有者和建造者。2026年7月的工艺验收是一个里程碑，因为这是中国在高重子密度物理领域自主建设的第一个大型实验装置。在NICA/MPD上，中国是第二大合作贡献方：12家机构、768个电磁量能器模块（约占全探测器的三分之一）、自主研制的MICA硅像素芯片（在130纳米CMOS工艺上突破了西方对中国的MAPS技术出口限制）、两位MPD副发言人（中国科学技术大学的唐泽波2018年当选，山东大学的杨驰2026年当选）。在CBM上，中国通过FAIR China Group参与，2025年11月的第46届合作组会议在兰州举办。在STAR BES-II上，中国的华中师范大学和中国科学技术大学的研究人员是净质子涨落那篇PRL论文的主要作者。把四条线放在一起看，中国的战略是同时下注：自建HIAF确保独立性和数据所有权，深度参与NICA获得国际合作的平台，适度参与CBM保持与欧洲的联系，参与STAR获取已经采集的高质量数据。这是一个分散风险的多轨布局。

但这场四国竞赛有一个值得注意的变化：全球重心正在从美国转移到欧亚大陆。RHIC在2026年2月关闭后，美国暂时没有高重子密度重离子对撞设施（EIC是电子-离子对撞，不产生高重子密度物质）。三台新设施——NICA、CBM、CEE——都在欧亚。它们分别在2026、2028和2027年投入运行，将在2030年代初期形成高重子密度物理的新格局。NICA和CBM在μB~400-600 MeV区间的重叠是这个格局中唯一存在正面竞争的区域。NICA的4π对撞覆盖和CBM的高统计量代表了两种不同的测量哲学，它们将在同一片相图区域给出独立的数据。如果结果一致，那是对理论的强力交叉验证。如果不一致，那就说明这个能量区间的物理比任何人想象的都要复杂。

到2030年，当三个设施的数据汇聚在一起，我们对QCD相图的认知将完全不同。临界点可能被定位到几十MeV的精度，也可能被排除到不再是一个紧迫问题的程度。核物质状态方程在2到8倍饱和核密度的范围将被实验室数据约束到前所未有的精度。五个实验异常中至少会有两到三个得到解释。也可能出现新的异常。在所有这些可能性中，唯一确定的是：四台机器同时瞄准一片区域的情况，在核物理的历史上不会经常发生。

*参考文献*

  1. STAR Collaboration, "Precision measurement of (Net-)proton number fluctuations in Au+Au collisions from BES-II program at RHIC-STAR", *PRL* 135, 142301 (2025), arXiv:2504.00817.
  1. S. Borsanyi et al., "Lattice QCD constraints on the critical point from an improved precision equation of state", *PRD* 112, L111505 (2025), arXiv:2502.10267.
  1. R.A. Lacey, "Comment on 'Lattice QCD constraints on the critical point from an improved precision equation of state'", arXiv:2603.29279 (2026).
  1. NA61/SHINE Collaboration, "Large isospin symmetry breaking in kaon production at high energies", *Nature Communications* 16, 2849 (2025), arXiv:2312.07176.
  1. R. Abramchuk, "Non-perturbative suppression of the Chiral Magnetic Effect in Quark Gluon Plasma", arXiv:2503.18404 (2025).
  1. Yu.B. Ivanov, "Alternative Scenarios of Relativistic Heavy-Ion Collisions: II. Particle Production", *Phys. Rev. C* 87, 064904 (2013), arXiv:1304.1638.
  1. T. Ablyazimov et al. (CBM Collaboration), "Challenges in QCD matter physics — The scientific programme of the Compressed Baryonic Matter experiment at FAIR", *Eur. Phys. J. A* 53, 60 (2017).
  1. P. Senger, "Probing Compressed Baryonic Matter", *Universe* 2(4), 31 (2022).
  1. NICA White Paper, JINR, Dubna, http://nica.jinr.ru/files/WhitePaper.pdf.
  1. JINR News, "First beam successfully injected into NICA Collider", *JINR Magazine* No.50 (2025).
  1. JINR News, "NICA Collider reaches first stable beam" (2026年1月).
  1. JINR News, "Stable circulation of counter-rotating beams achieved at NICA Collider" (2026年2月).
  1. JINR News, "Design field of 0.57 T achieved in MPD Detector magnet" (2026年3月3日).
  1. JINR News, "Results of Run 1 at NICA Accelerator Complex" (2026).
  1. GSI/FAIR, "UNILAC fire incident report and recovery timeline" (2026年2月).
  1. 中科院工艺验收公告, "HIAF通过工艺验收转入试运行" (2026年7月21日).
  1. Y. Fujimoto, K. Fukushima, L.D. McLerran, M. Praszalowicz, "Trace Anomaly as Signature of Conformality in Neutron Stars", *Phys. Rev. Lett.* 129, 252702 (2022).
  1. G. Kasza, J. Takatsy, Gy. Wolf, "Astrophysical constraints on the cold equation of state of the strongly interacting matter", *Eur. Phys. J. Special Topics* (2026), arXiv:2512.19907.
  1. P.T.H. Pang et al., "From Existing and New Nuclear and Astrophysical Constraints to Stringent Limits on the Equation of State of Neutron-Rich Dense Matter", *Phys. Rev. X* 15, 021014 (2025), arXiv:2402.04172.
  1. R.A. Lacey, "Indications for a QCD Critical Point from HBT Femtoscopy", *Phys. Rev. Lett.* 114, 142301 (2015).
  1. J. Pawlowski, F. Rennecke, "Inhomogeneous instabilities in high-density QCD", *PRD* 111, 094026 (2025), arXiv:2512.20510.
  1. N.G. Antoniou, N. Davis, F.K. Diakonos, "Has the QCD critical point been observed at RHIC? - A Rebuttal", arXiv:1607.01326 (2016).
  1. R.A. Lacey, "Reply to 'Has the QCD critical point been observed at RHIC? - A Rebuttal'", arXiv:1607.02411 (2016).
  1. Z.G. Xiao, "Status of CEE at HIRFL-CSR/HIAF", NuSym25, Kobe (2025), IMP/CAS.
  1. Y. Zhang, "Status of CEE-2025", 4th Korea-China Workshop (2025).
  1. 清华大学、山东大学、华中师范大学等, MPD ECal/ITS/TOF 中国贡献综述 — JINR MPD Collaboration Meeting (2026).
  1. MPD Collaboration, "Status of the MPD Experiment at NICA", *Physics of Atomic Nuclei* 88, 715-720 (2025).
  1. BM@N Collaboration, "Production of protons, deuterons and tritons in argon-nucleus interactions at 3.2 A GeV", *JHEP* 08 (2025) 095, arXiv:2504.02759.
  1. A. Andronic et al., "Exploring high-density baryonic matter: Maximum freeze-out density", *Eur. Phys. J. A* 52, 8 (2016), arXiv:0905.2824.
  1. B. Mohanty, "The Beam Energy Scan at RHIC", *Eur. Phys. J. A* 52, 73 (2016).
  1. S. Vinciguerra et al., "An updated mass-radius analysis of PSR J0030+0451", *Phys. Rev. D* 109, 123005 (2024).
  1. K. Fukushima, "Quark-Hadron Continuity in Dense Matter", arXiv:2501.01907v2 (2025).
  1. CBM Collaboration, "46th CBM Collaboration Meeting at Lanzhou", November 2025, GSI/FAIR.
  1. O. Golosov et al. (MPD Collaboration), "Performance of Anisotropic Flow Measurement of Inclusive Photons and Neutral Pions in Bi+Bi Collisions at √sNN = 9.2 GeV with the MPD at NICA", *Physics of Atomic Nuclei* 88, 727-731 (2025).