跳到正文
返回超核物理
至真探索 · 超核物理

J-PARC-HI

2026-08-08

日本手里攥着一台可能改变高重子密度物理格局的装置，但它还没有被批准建造。J-PARC-HI——依托日本质子加速器研究设施J-PARC的重离子碰撞计划——物理动机清晰、技术路线成熟、连先锋实验都已经出了论文，唯独"立项"这两个字迟迟落不下来。2026年8月，它的重离子阶段最快也要到2032年才能启动。这是日本在强子物理上的一场豪赌，赌注是半个世纪的谱系传承。

要理解J-PARC-HI想干什么，先得看它站在谁的肩膀上。1990年代，京都大学、RIKEN和KEK的团队在KEK-PS 12 GeV质子加速器上做了E325实验：用质子束打碳和铜靶，产生矢量介子（ρ、ω、φ），再测它们的电子正电子衰变。电子不参与强相互作用，能无损地带着核内衰变的信息逃出来。2007年，Muto等人在《物理评论快报》上报告：在铜靶上，慢速的φ介子（βγ<1.25）质量降低了约3.4%，也就是34兆电子伏，宽度展宽到真空值的约3.6倍。这是迄今唯一一次在不变质量谱中直接观测到φ介子谱修改的实验——它被广泛解读为手征对称性部分恢复的信号。E325的直接继承者是J-PARC的E16实验：用30 GeV质子束，同样的方法，但统计量要高约100倍。E16于2025年11月开始物理取数，2026年3月9日在《Progress of Theoretical and Experimental Physics》上发表了首篇论文，第一作者是京都大学的中須賀さとみ（Satomi Nakasuga），在碳靶上测得φ→e⁺e⁻产生截面2.0±0.9±1.0毫靶，铜靶10.3±4.4±4.4毫靶，质量数依赖α=0.99±0.38±0.34——与α~1的线性标度一致。

J-PARC-HI就是要把这条"用双轻子探高密度介质"的路线，从质子-核碰撞升级成真正的重离子碰撞。它复用J-PARC现成的加速器链——400兆电子伏直线加速器、3 GeV快循环同步加速器、30 GeV主环——只需要新增一台重离子注入器。能量范围是1到12 AGeV（铀束可达19 AGeV/c），对应质心能量约1.9到6.2 GeV，产生的重子密度是正常核密度的5到10倍，逼近中子星核心。这个能区的化学冻结重子化学势大约在400到800兆电子伏——注意，比一般以为的300到600要高。物理目标直指QCD相图高重子密度区的几个大问题：一阶相变边界、QCD临界点、色超导、致密物质状态方程、以及手征对称性恢复。

计划分两阶段。Phase I用升级版E16谱仪，复用KEK-PS的500 MeV booster环，束流约10⁸赫兹；Phase II新建近4π接受度的大型谱仪JHITS加新的booster环，目标束流10¹¹赫兹——世界最高。这里要澄清一个关键区分：10¹¹赫兹是束流率，配上约千分之一作用几率的薄靶，相互作用率是10⁸赫兹（100兆赫兹）。德国FAIR的CBM设计的相互作用率是10兆赫兹，日本的目标比它高一个量级。正因为如此，J-PARC-HI宣称能在该能区获得比AGS时代实验高二到三个数量级的双轻子统计量，做稀有事件选择。GSI的资深学者、拟议国际顾问委员会成员Braun-Munzinger给过一个犀利的评语："物理范围较受限，但测量优于CBM"——强度换深度。

但物理上最锋利的刀，是"该能区的dilepton从未被测过"。AGS时代的实验统计不足、没测双轻子、没做高密度事件选择。这意味着J-PARC-HI若建成，将是第一个在√sNN约2到6 GeV能区测双轻子的实验。理论预言等着它来裁决。QCD求和规则（Kim, Gubler和Lee 2022年在《物理评论D》上发表的公式）给出φ介子质量移动与展宽的线性关系Γ_φ=3.947Δm_φ+0.936σ_sN−7.707 MeV——质量移动的符号取决于核子的奇异σ项σ_sN，可正可负。而Ejima、Gubler、Sasaki和Shigaki 2025年在《物理评论C》上预言正常核密度下φ质量负移约5兆电子伏，还提出了一个崭新的信号：φ与它的手征伙伴f₁(1420)的密度致手征混合，在E16 Run-2统计量下以2到3个标准差可见。这个预言和E325的正34兆电子伏移动之间存在着符号的张力——E16的核内直接测量将裁决它。

奇异物理是日本的另一个独家武器。J-PARC凭借世界最强的K⁻束流，在超核谱学上拥有无可替代的地位：Λ超核的单粒子势深约28兆电子伏；Ξ超核（奇异数-2）有独有的S-2S磁谱仪；E75实验将通过⁷Li(K⁻,K⁺)反应做A=7少体Ξ超核谱学；E40精确测量Σ⁺p和Σ⁻p散射。K⁻介子在核物质中的势深，纯手征计算给出约85到100兆电子伏，加入吸收项后加深到约175到180。Ω超核目前还没有专门计划，但|S|≥3的超核和奇异夸克物质搜索正是J-PARC-HI的目标之一。理论侧还有Brown、Kubodera和Rho 1987年提出的"Kaon凝聚"：在约三倍核密度处，奇异凝聚可能发生，标志着一个不同于QGP和普通致密强子物质的新相。

然而，故事的转折在于：这个物理上最完整的计划，在制度上卡住了。截至2026年年中，J-PARC-HI没有获得正式批准，没有建设预算。它不在KEK的实施计划PIP2022里；2023年6月向文部科学省提交的路线图申请被拒；Phase I的实质提案P87在2025年PAC-40会议上被判定"延后"，2026年PAC-41再次确认延后。时间表从2016年官方主页的"2024年启动"，一路滑到2026年4月QCS2026的最新口径："最快约6年后"，即约2032年。2018年提案书的预算是160亿日元；2020年为省钱改用JAEA直线加速器和复用KEK-PS booster，硬件成本压到3000万美元以下，代价是束流强度从10¹¹降到10⁸赫兹。前置的强子实验厅扩建（HEF-ex）成本从165亿日元涨到约220亿日元，到2026年6月仍未动工。

资源竞争同样激烈。J-PARC主环的快引出束流供中微子实验（T2K，以及正在建设的Hyper-K，目标2028年1.3兆瓦），慢引出供强子设施，PAC明确二者互斥。强子设施的束流时间积压严重，PAC警告长期束流不足将"对J-PARC计划造成不可挽回的伤害"。MLF材料科学设施已到1兆瓦（目标1.5兆瓦），RCS束流90%以上给了它。在这样的局面下，一个尚未立项的重离子计划，要和已经砸了1547亿日元的Hyper-K争束流、争预算、争优先级。

时间窗口在收紧。俄罗斯NICA的BM@N固定靶实验已经取数，2026年Run 9收集了27.5亿个事件；德国CBM计划2028年首束；日本最乐观2032年才启动Phase I——届时CBM已取数约4年。J-PARC-HI不占"先到"优势，它的差异化只能是10¹¹赫兹的高统计精度和√sNN 2到5 GeV的能区覆盖。合作组从2016年的76人增长到2024年12月的135人，国际成员包括美国BNL、欧洲GSI/Mainz、俄罗斯JINR、中国华中师大、韩国高丽/全北/釜山和印度BARC。值得一提的是，技术与CBM深度协同——CBM的硅径迹系统（STS）已经直接用于J-PARC E16，2026年CBM官网的标题是"STS goes to Japan"。这让"日本后来者"的叙事多了一分和解：即便立项再拖，技术路径已经和先跑者绑定。

这是一场既是物理、更是制度与时间的竞赛。E16已经证明"能做到"——它取数了、出论文了、π抑制效率99.97%的探测器在30 GeV束流下清晰重建了φ→e⁺e⁻信号。P87还没有证明"被允许做"。日本强子物理界在E325→E16这条独占谱系上押下了全部身家，而决定J-PARC-HI命运的，不是格点QCD的预言，不是束流动力学模拟，而是文部科学省的一张批文、Hyper-K之外的一份额度、以及2032年之前那扇正在合拢的时间窗。

*参考文献*

  1. R. Muto et al. (KEK-PS E325), "Evidence for In-Medium Modification of the φ Meson at Normal Nuclear Density", *Phys. Rev. Lett.* 98, 042501 (2007), arXiv:nucl-ex/0511019.
  1. F. Sakuma et al. (KEK-PS E325), "Nuclear-Matter Modification of Decay Widths in the φ→e⁺e⁻ and φ→K⁺K⁻ Channels", *Phys. Rev. Lett.* 98, 152302 (2007), arXiv:nucl-ex/0606029.
  1. S. Nakasuga et al. (J-PARC E16 Collaboration), "First Measurement of φ-Meson Production in 30-GeV Proton–Nucleus Reactions via Di-electron Decay at J-PARC", *PTEP* 2026, 043D03 (2026), DOI: 10.1093/ptep/ptag042, arXiv:2603.00403.
  1. Y. Aramaki et al., "A development of HBD for the J-PARC E16 experiment", *Nucl. Instrum. Meth. A* 629 (2011), DOI: 10.1016/j.nima.2010.06.340.
  1. H. Sako et al., "High density matter physics at J-PARC-HI", arXiv:1904.12821 (2018/2019).
  1. S. Nagamiya, "Heavy-Ion Collisions toward High-Density Nuclear Matter", *Entropy* 24(4), 482 (2022), arXiv:2204.12047.
  1. M. Kitazawa et al., "Physics of J-PARC Heavy-ion Project", *JPS Conf. Proc.* 45, 011118 (2026).
  1. J-PARC-HI Letter of Intent, LoI_2016-16, J-PARC PAC, 2016-07-25.
  1. J-PARC-HI Proposal Draft, 2018-12-12, JAEA ASRC.
  1. P. Gubler, J. Ohtani, "Constraining the strangeness content of the nucleon and the φ meson in nuclear matter", arXiv:1404.7701 (2014).
  1. S. Kim, P. Gubler, S.H. Lee, "φ meson properties in nuclear matter from QCD sum rules with chirally separated four-quark condensates", *Phys. Rev. D* 105, 114053 (2022), arXiv:2204.11440.
  1. R. Ejima, P. Gubler, K. Sasaki, K. Shigaki, "φ-meson modification in nuclear matter and the chiral mixing with f₁(1420)", *Phys. Rev. C* 111, 055201 (2025).
  1. T. Hatsuda, S.H. Lee, "QCD sum rules for vector mesons in the nuclear medium", *Phys. Rev. C* 46, R34 (1992).
  1. G.E. Brown, M. Rho, "Scaling effective Lagrangians in a dense medium", *Phys. Rev. Lett.* 66, 2720 (1991).
  1. G.E. Brown, K. Kubodera, M. Rho, "Strangeness condensation and 'clearing' of the vacuum", *Phys. Lett. B* 192, 273 (1987).
  1. T. Taya, R. Jinno, M. Kitazawa, Y. Nara, "Optimal collision-energy region for the study of high-density baryonic matter", *Phys. Rev. C* 112, L011901 (2025), arXiv:2409.07685.
  1. J-PARC PAC-40 Final Report, 2025-10-03 (P87 Deferred).
  1. J-PARC PAC-41 Final Report, 2026-04-03.
  1. H. Sako, QCS2026 report, 2026-04-30.
  1. K. Tanaka, "J-PARC-HI status", ANPhA 2024, 2024-11.
  1. Y. Morino, "J-PARC-HI", Quark Matter 2025.
  1. T. Sakaguchi, Zimanyi School 2024, J-PARC-HI status, 2024-12-05.
  1. E. Nakazawa, H. Tamura et al., "Nuclear systems with strangeness and baryon–baryon interactions", *Eur. Phys. J. A* (2025), DOI: 10.1140/epja/s10050-025-01571-z.
  1. K. Miwa et al. (J-PARC E40), "Σp scattering measurements", HHIQCD2024, Yukawa Institute.
  1. J-PARC E75 proposal, ⁷Li(K⁻,K⁺) Ξ-hypernucleus spectroscopy, *JPS Conf. Proc.* 45, 011064.
  1. A. Andronic et al., "Hadron yields and the phase diagram of strongly interacting matter", *Nucl. Phys. A* (2014).
  1. FAIR Council decision, "First Science Plus by 2028", 2024-12-19.
  1. CBM Collaboration, RICH detector paper, *Nucl. Instrum. Meth. A* (2026), "first beam 2028".
  1. JINR, "NICA: a major step forward", *JINR Magazine* 1 (2026).
  1. J-PARC Newsletter No.101, 2026-01 (E16 data >400 TB).
  1. CBM official website, "STS goes to Japan" (2026), https://www.cbm.gsi.de.
  1. J-PARC IAC Report 2019, http://j-parc.jp/c/uploads/linc/J-PARC_IAC2019.pdf.
  1. KEK press release, "Proton beam delivered to J-PARC Hadron Hall", 2009-01-27.
  1. "Big in Japan", *Nature Physics* (2009), J-PARC overview.
  1. K. Shirotori et al., "Study of in-medium mass modification at J-PARC", arXiv:1502.00703.