NICA加速器链

2026年2月12日夜里，杜布纳的联合核子研究所（JINR）地下隧道里，两组氙核束流开始以相反方向绕同一个环奔跑。上环的 Xe 离子往一个方向，下环的往另一个方向。它们穿过 MPD 探测器位置的那个交叉点——那个人造的小宇宙，将在那里撞在一起。

之前一个月，1月11日，下环（红色环）刚刚实现了首次稳定循环，束流跑了超过一百微秒。1月23日上环也成功了。2月12日那晚，它们终于同时在了。能量 1.76 GeV 每核子，寿命大约一小时。不算快，但有了。

这就是 NICA——Nuclotron-based Ion Collider facility——从一台苏联时代的同步加速器一步步变成今天这座要回答 QCD 最核心谜题的对撞机。

NICA 解决的是一个写在教科书里但二十年来没人能确切回答的问题：强相互作用物质的相图到底长什么样？我们熟悉日常世界的三种相——固态、液态、气态。强相互作用物质也是分相的。在温度极高、密度极低的地方（大概相当于早期宇宙头几微秒），夸克和胶子从强子里释放出来，形成夸克-胶子等离子体（QGP），这个 CERN 的 LHC 和布鲁克海文的 RHIC 在高能碰撞中已经看到了。在温度中等、密度极高的地方，对应中子星的核心，物质可能以另一种形式存在。而这两个区域之间，有一整片"terra incognita"——高重子密度区，恰恰是中高能量离子碰撞能触及的地方。问题在于，RHIC 的束流能量扫描（BES）能级高，只能轻轻擦过这片区域的边缘。真正能扎进去的，是能量更低、重子密度更高的碰撞。NICA 的质心能量 √s_NN = 4-11 GeV，正好锁定这个窗口。

从这个窗口看出去的物理图景说复杂也复杂，说简单也很简单。理论上 QCD 相图应该有一个"临界点"（Critical End Point, CEP），一阶相变线到此终止。找到它，就等于证实了我们对强相互作用的整套理解——或者推翻它。但 CEP 的位置从没人确切知道。格点 QCD 说 μB 低于 450 MeV 肯定没有，高于这个不好说。各种有效模型给出的预测散布在 μB = 400-700 MeV 的广阔区间，对应√s_NN = 3.5-4.9 GeV。这个区间，正好落在 NICA 怀里。

要让这个对撞机真正工作，得先有束流。NICA 的加速器链从源头说起就是一个难题。最前端是 KRION-6T，一种电子束离子源（EBIS），2023 年升级后能产生约 1.5×10^8 个 Xe^28+ 离子——但只有大约 5% 被下一个环节 Booster 接受，不是设计的 20%。Booster 是一台周长 211 米的超导同步加速器，把离子从 3.2 MeV/u 提到 530-578 MeV/u。然后进入 Nuclotron——这台 1993 年建成、世界上第一台使用快速循环超导磁体的同步加速器——把重离子加速到最高 3.9 GeV/u。最后注入两圈对撞环，每圈 503 米。

听起来还算顺畅，实际上每一步都在打硬仗。LU-20 直线加速器是 1972 年造的——服役时间超过半个世纪。2025 年 11 月的状态报告写得很直白："必须更换"。新机器叫 LILAC，与德国公司 BEVATECH 联合研制，但过渡期间还得用旧的。Nuclotron 的慢引出效率目前只有 30%，目标是 90%。注入链的总体目标是重离子通量提升 10 倍——从现在的 (5-10)×10^6 到 (2-5)×10^8 Xe 离子。差了两个数量级。

但 2026 年的事情整体上在往好的方向走。1-2 月双环成功循环。低温系统——要同时冷却 Booster、Nuclotron、对撞环和 MPD 的超导螺线管——达到了设计能力。MPD 的制冷机把液氦流量控制在约 130 L/h，比设计的 200 L/h 的上限还要好。MPD 超导磁体在 0.57 特斯拉设计场强下稳定运行。

BM@N——Baryonic Matter at Nuclotron——是 NICA 综合体中最早有物理产出的实验。它在固定靶模式下运行，2026 年 2 月到 4 月的第九轮运行使用了氙束轰击锡靶，在 1.6、2.2 和 3 GeV 每核子三个能量点记录了 27.5 亿个碰撞事件，数据量 1.8 PB。作为比较，2023 年同一轮运行的事件数只有这个的约五分之一。BM@N 合作组有 210 名专家，来自保加利亚、中国、哈萨克斯坦、俄罗斯、乌兹别克斯坦五国的 13 个机构。发言人 Richard Lednicky 在 2026 年 5 月的合作组会议上报告了最新的物理分析结果：Ar+核碰撞中测量了质子、氘核和氚核的横动量谱和快度分布，发现 kaon-pion 产额比不依赖于碰撞中心度——这与全球数据集的激发函数一致。2026 年还有一篇新论文（arXiv:2604.13299，已投 JHEP）报告了 4.0 AGeV 和 4.5 AGeV 碳-核碰撞中的 Λ 超子产生。BM@N 的计划延伸到 2031 年——2027 年可能上氪束，2028-2031 年规划铋离子运行，届时需要添加硅径迹探测器和高颗粒度中子探测器。

如果说 BM@N 是 NICA 的第一把刀，MPD 就是真正的主角。MPD（Multi-Purpose Detector）是安装在 NICA 对撞点上的通用谱仪，由时间投影室（TPC）、飞行时间探测器（TOF）、电磁量能器（ECAL）、前向量能器（FHCal）和正在开发中的内径迹系统（ITS）组成。2026 年 4 月第 17 次 MPD 合作组会议在杜布纳召开，约 200 名科学家来自 11 个国家。关键决议：夏季完成最终组装，10 月安装到对撞点，年底开始取数。首轮物理目标是对撞模式下的 Xe+Xe 碰撞（√s_NN = 4-7 GeV），和第二阶段的 Bi+Bi 碰撞（目标 9.2 GeV），预期采集 5 千万到 1 亿个事件。MPD 发言人 Victor Riabov 说得很清楚：MPD 的核心任务是"在 QCD 相图的高重子密度区域寻找相变信号和临界终点"。

与 MPD 同处对撞环上的是 SPD——Spin Physics Detector。SPD 从设计上就是一台更未来、更大胆的探测器。它要利用 NICA 的极化质子束（√s ≤ 27 GeV，极化度 > 70%）做胶子成像——测量横向动量依赖的部分子分布函数（TMD PDFs）中的胶子分布，特别是胶子横向性（gluon transversity）和氘核的张量结构。这是目前全球唯一能实现极化强子对撞胶子成像的实验。SPD 已在 2024-2030 七年计划中进入建造阶段，超导磁体与俄罗斯布德克尔核物理研究所（BINP）联合设计，千吨级磁轭的制造合同预计 2026 年签署。但 SPD 全面运行的窗口要等到 2028 年以后，主要的胶子物理研究得到 2030 年代——时间表远超 MPD。

MPD 能最先触及的物理学奖赏是什么？公认的答案是 QCD 临界点。但临界点的存在性本身就是一个正在激烈争论的问题。

2025 年，STAR 合作组在 BES-II 固定靶 Au+Au 碰撞（√s_NN = 3.0-7.7 GeV）中观测到两粒子横动量关联的约 5σ 非单调能量依赖——样品在中等碰撞中心度下偏离独立源模型的 1/√N_part 标度律。但输运模型拟合只给出 2σ，中度中心碰撞只给 1.4σ，STAR 合作组的结论也很克制："不足以支持非单调性的声称"。与此同时，Goswami 和 Karsch 在 2025 年夸克物质会议上展示的格点 QCD 结果（2026 年出版于 EPJ Web of Conferences）认为，沿伪临界线的高阶净重子数累积量比率"没有临界点存在的迹象"，结论里直接说"QCD 临界点不太可能出现在 BES-II 对撞机模式的覆盖范围内"。

这就形成了目前该领域最大张力：一边是实验上 5σ 的异常信号，一边是格点 QCD 的否定结论。

然而 NICA 能覆盖的范围，BES-II 覆盖不到。格点 QCD 在 μB/T > 2（对应 √s_NN < 11.5 GeV）区域的适用性本身就是个问题——因为有限重子化学势下的"符号问题"（费米子行列式为复数）使直接蒙特卡洛模拟失效。这正是 NICA 的价值洼地。2026 年有一个来自格点 QCD 方向的重要突破：Adam、Borsányi、Fodor 等人在 EPJ Web of Conferences 上发表了正则系综形式的有限密度格点 QCD 计算。与传统方法（泰勒展开、解析延拓）不同，正则系综把重子数密度 nB 作为直接输入参数——完全绕过外推，也绕过符号问题的传统制约。这是格点 QCD 在有限重子密度研究方向上的一个里程碑。

另一个理论-实验张力集中在 K+/π+ 比率的所谓"Horn"效应——在 √s ≈ 8 GeV 处该比值出现尖锐峰值，被普遍认为是 QCD 相变的信号。但 NICA 物理团队使用的三流体流体动力学模拟器 THESEUS 无法复现这一效应。一种基于 PNJL 模型的广义 Beth-Uhlenbeck 方法暗示 K+ 道中出现了反常束缚态模式，但这还停留在理论阶段，等待实验来验证。

NICA 的天体物理连接同样支撑它的科学意义。高重子密度的 QCD 物质直接对应中子星的核心。厦门大学李昂教授团队发表在《中国科学》2026 年第 56 卷第 7 期上的贝叶斯联合分析，首次将重离子碰撞数据与中子星天文观测纳入同一自洽框架。他们整合了 0.4 AGeV Au+Au 碰撞中来自 FOPI 和 ASY-EOS 合作组的 17 组观测数据（含直接流、椭圆流、π 介子产额与比值），以及 GW170817 的潮汐形变测量和 NICER 对三颗脉冲星 (J0030+0451、J0740+6620、J0437-4715) 的质量-半径观测。结果显示了明确的互补性：不可压缩系数 K₀ = 250.56⁺¹⁶·⁵¹₋₁₈·₇₉ MeV 主要由天文数据约束，而核子有效质量比 m*/m = 0.60 ± 0.01 几乎完全来自重离子碰撞——被 π 介子产额和椭圆流锁定在 0.59-0.61 的极窄范围。对称能斜率 L₀ = 64.59⁺¹³·²⁵₋₉·₃₈ MeV，天地数据各有贡献。1.4 倍太阳质量的中子星半径约 12.57 公里，潮汐形变约 455.70。

NICA 的质心能量 √s_NN = 2.4-11 GeV 对应的重子化学势 μB = 300-600 MeV，化学冻出温度约 120-150 MeV——与中子星核心的外推条件部分重叠。CEP 的理论预测位置（μc, Tc) ≈ (495-654, 100-119) MeV 对应 √s_NN ≈ 3.5-4.9 GeV，完全被 BM@N 和 MPD 覆盖。如果能确认存在强烈的一阶相变，它还预示着一种叫"质量双胞胎"的现象——质量相同但半径不同的中子星先后被发现——可以通过 NICER 和 LIGO/Virgo 的联合观测来检验。近代物理所的雍高产团队用改进的多相输运模型标定强子-夸克相变边界在一个精确参数点上：金-金碰撞中生成夸克物质的临界质心能量约 4 GeV。

但 NICA 不是这个游戏中唯一的玩家。

FAIR/CBM（德国达姆施塔特）是它的主要竞争者。CBM 以固定靶模式运行在 √s_NN = 2.4-5.0 GeV，与 NICA 的能量窗口有显著重叠。CBM 的核心优势是事件率——它的设计反应率高达 10^5-10^7 Hz，比 MPD 的约 7×10^3 Hz 高三个数量级。这意味着 CBM 能覆盖稀有探针：双轻子、粲偶素 J/ψ、开粲粒子。但 CBM 的时间表也在向后滑——SIS100 加速器预计 2028-2029 年才能运行，而 NICA 2026 年秋天就要开始取数。这个时间差，对 NICA 可能是决定性的。

中国的 HIAF（惠州，2026 年 7 月刚通过国家验收）和 CEE（兰州，2025 年调束取数）在更低能区运行。HIAF 的束流脉冲强度是 NICA 的 50 倍（对铀束来说），升级后甚至可达 250 倍。但 HIAF 的最高能量只有 0.8 GeV/u，主要做核结构研究而非 QCD 相图。CEE 覆盖约 1 GeV/u 能区，与 NICA 重叠的部分有限。三家形成的是一个"高重子密度三角形"——NICA 在中高能区，CEE/HIAF 在低能区，CBM 在中间偏下——互补远多于竞争。

RHIC 的 STAR BES-II 已经在 2025 年完成了运行，它的数据为 NICA 的规划提供了基线。但 RHIC 在 2026 年 2 月完成了最后的运行，现已转向 EIC 的建造。高重子密度物理的接力棒，已经交到了 NICA 和 FAIR 手上。

在这个全球图景中，中国团队扮演了一个从参与者向共建者转变的角色。清华大学王义教授团队承担了 MPD 电磁量能器的核心制造工作——800 个模块（共 12800 个 Shashlyk 塔），清华大学独立生产 460 个，合格率 99%。华中师范大学是 MPD 内径迹系统（ITS）的中方主责单位，由于西方制裁导致俄罗斯和中国无法使用 CERN ALICE 的 ALPIDE 芯片技术，中俄联合团队被迫自主开发 MICA——基于中国 130 nm CMOS 工艺的单片有源像素传感器。第一版原型 150 个已在 JINR 完成测试，第二版正在流片。中国科学技术大学的罗小峰教授团队负责 ITS 读出电子学，开发的 LVDS 高速串行收发器在 130 nm CMOS 上实现了 800 Mbps 数据率、误码率低于 10^-13、功耗约 9.5 mW/对。罗小峰教授同时也是 NICA 白皮书中"搜索 QCD 临界点"一章的合著者。山东大学杨驰教授在 2026 年 4 月的第 17 次 MPD 合作组会议上当选副发言人，这是中国学者在该合作组中获得的最高领导职位。近代物理所为 NICA 提供 325 MHz 超导半波谐振腔，合肥物质科学研究院承建 10kA 级 YBCO 高温超导储能磁体系统——总经费约 1.5 亿元。

在 NICA 的 12 个参与国、38 个机构、超过 500 名研究人员中，中国 10 家单位是仅次于俄罗斯的第二大群体。山东大学正在筹备建设 Tier-2 计算中心，这将弥补俄罗斯在数据算力方面的短板。这是个有意思的反转：在冷战时期，苏联重离子物理是美国的主要竞争对手；三十多年后，中国和美国可能都在吃凉了的芯片制造技术饭——而中国的工程执行力反而在一项俄罗斯主导的前沿项目中成为关键支撑。

NICA 的物理计划里还有一些更大胆的东西。Gorbunov 和 Kalashnikov（Physics Letters B, 2024, arXiv:2401.12893）第一次给出了 NICA 对轻隐藏扇区粒子的搜索灵敏度估算。他们发现 NICA 可以通过重离子碰撞中丰富的赝标量介子衰变链（π⁰、η、η' → γγa）产生类轴子粒子（ALPs），在约 30-500 MeV 的质量范围内探索其他实验触及不到的参数空间，仅需一年取数即可达到 5σ 发现显著性——本质上是零本底的位移顶点信号。NICA 储存环还有一个"准冻结自旋"方案来搜索质子和氘核的电偶极矩（EDM），目标灵敏度 10^-29 至 10^-30 e·cm，还将利用同一系统做宽带轴子暗物质搜索。这些项目的时间表基本上跟着 SPD 走——也就是 7-10 年的窗口。

回到当下，NICA 要面对的现实挑战不比物理谜题简单。注入链需要提升两个数量级的束流强度。加速效率只有 5-10%，目标 80-90%。β 函数失配导致发射度增长 3 倍。电子冷却效率只有设计的十分之一。随机冷却系统因人才短缺严重延迟，到 2027 年 Q1 才能用。2026 年夏天的长时间停机列出了"很多问题"要修。

国际合作环境也在恶化。乌克兰于 2025 年 8 月对 JINR 实施了单边制裁。2026 年 7 月，法国 CNRS 的 Berger-Hrynova 发表了一份详尽报告，论证 JINR 与杜布纳军工生态系统的深层联系。同月 ICHEP 2026 在巴西召开时，JINR 被列为白金赞助商，乌克兰驻 CERN 代表谴责这是"洗白声誉"。德国曾经在 2019 年规划深度参与 NICA，如今已基本冻结。

有这些挑战，还能期待什么？答案是：未来 18 个月可能给出过去 20 年没有答案的问题。MPD 预计 2026 年 10 月就位、年底开始取数。首批 5000 万到 1 亿个碰撞事件，即使亮度远低于设计值，也足以在高重子密度区给出强子谱学和集体流的第一手数据。到 2027 年，随着注入链逐步升级和 MPD 探测器的完善，NICA 可能产出关于 CEP 位置或相变性质的中等统计量结果。就算 CEP 不存在或位于更高 μB——这也是一个物理结论，而且是格点 QCD 所支持的结论——每批数据仍然能高精度约束致密物质的状态方程。这批约束将通过与 NICER、LIGO/Virgo、以及未来的 eXTP 的数据结合，形成一幅跨尺度、跨信使的"混合显微镜"图景，让人类从加速器到中子星都能看懂同一种物质的语言。

不管 CEP 在还是不在，那条 1.76 GeV 的束流跑了；那一亿个事件会来；那排 Shashlyk 模块会在磁场中发亮。站在 2026 年 7 月这个时间点上，NICA 的故事刚刚翻到第一章。

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参考文献

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