未来EIC@HIAF计划与物理目标 陈旭荣 中科院 近代物理研究所 第九届全国会员代表大会暨学术年会, 华中师范大学，武汉，2014年4月18日--23日

提纲 引言 EIC@HIAF计划 EIC@HIAF物理 结论和展望

引言：核子结构图像 根据粒子物理中的标准模型，质子由3个夸克组成，这些夸克由强力组合在一起。该种力的载体胶子 今天，很明显，组成质子或中子的价夸克不能单独解释自旋现象，因为核子也由夸克，反夸克和胶子整个“海”组成。在极短时间内，胶子可分离为由夸克和反夸克组成的对。同样，这些夸克和反夸克又可生成胶子，等等。这样，发现质子里面有时隐时现的夸克，反夸克和胶子气泡“海”。 质子内部的变化远比以前人们认为的剧烈得多。现在实验已经证明，能量越高，则分辨率越高，越仔细看，看到的粒子就越多。夸克、反夸克和胶子形成质子内部很浓的“汤”。胶子和夸克-反夸克对在质子内部不断地出现和消失 胶子和夸克的高密度是强相互作用力的一个崭新的方面， 至今实验上还未怎么研究过

为什么需要EIC? 在JLab上改进到12 GeV的连续电子束加速器（CEBAF）被用以研究核子中价夸克支配的区域

什么是EIC 极化电子 极化质子 重离子(Au) 极化正电子 极化轻离子D, 3He p 极化质子 e- e+ 重离子(Au) 极化正电子 极化轻离子D, 3He 当与质子对撞时，点状电子像一个小的探头，对质子内部进行扫描 电子穿透质子，碰到质子的一个组成部分-夸克。夸克从质子中撞出，变成一个新的粒子喷注，这些新的粒子沿着电子和质子的碎片向所有方向散射 这些粒子在探测器中留下的轨迹使物理学家们就质子内部发生了什么变化得出结论 这可视为“超级电子显微镜”，它提供世界上质子内部最清楚的图像

Main EIC plans in the world EIC@HIAF LHC  LHeC RHIC  eRHIC CEBAF  MEIC/EIC HERA FAIR  ENC

国家重大科技基础设施建设中长期规划 2013年1月16日，国务院常务会议讨论通过了《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030年)》。“十二五”期间，选择我国科技发展急需、具有相对优势和建设条件较为成熟的领域，优先安排16项重大科技基础设施建设，强流重离子加速器（HIAF）是其中之一。 十二五计划的起止时间为2011~2015年 十三五计划的起止时间为2016~2020年 国家发展和改革委员会主任徐绍史2014年04月17日召开全国“十三五”规划编制工作电视电话会议，宣布启动编制国民经济和社会发展第十三个五年规划。

EIC@HIAF 计划 为了更好地利用我国自主建造的大科学装置，实现“一器多用”，推动我国的高能核物理发展，近代物理研究所提出建造先进的EIC机器，开展核子结构等方面的前沿研究 暂定初期目标为（～2022年）： 电子束流能量3 GeV, 质子束流能量 12~16 GeV； 亮度可达到4×1032 cm-2s-1； 束流采用双极化（电子束流和质子/重离子束流均极化）

Overview of the HIAF complex 5 6 7 4 CRring extension 1 8 3 4 High purity & quality RIBs station Electron-ion recombination resonance spectrometer High energy irradiation terminal High-Energy-Density Matter terminal External target station 2 5 Low energy nuclear structure spectrometer Low energy RIBs beam station High precision spectrometer 6 1 7 2 3 8

同类加速器比较 EIC@HIAF: e(3 GeV) +p(12 GeV), both polarized, L = 4 x 1032cm2/s HIAF

EIC@HIAF 运动学区间[0.01, 1] 左图：不同能量下的EIC的运动学范围，以及和JLab 12 GeV Upgrade项目 （固定靶）的比较。其中，Bjorken变量x= Q2/ys，表示部分子动量相对质子动量的比率，低x意味着高能量； s为质心系能量，Q2为交换粒子（即虚光子）的能量平方，y为入射粒子能量损失比率。 右图：质子内部的价夸克，海夸克和胶子的一维分布函数。 EIC@HIAF优势：这个区域是研究海夸克的最佳窗口，同时还可以研究胶子和价夸克；

和同类加速器相比，EIC@HIAF有什么优势呢？ EIC@HIAF第一期实验的 x主要区间为[0.01,0.1]， EIC@HIAF 实验对质子内部的了解比质子本身小100倍的结构，也就是说，小到5×10-17 米。海夸克在x = 0.1处开始大量产生，是研究海夸克的最佳窗口。同时，可以价夸克和胶子的分布函数的信息 EIC@HIAF的实验将比JLab的运动学范围更广，在较大的部分子动量x范围内，更有效地检验各种非微扰模型和格点QCD计算，为最终揭示核子和原子核的夸克、胶子结构迈出重要一步 美国和CERN未来的EIC装置主要优势是研究胶子 HERA实验获得了很多核子结构方面的实验结果，但是该实验的缺点是只有ep散射，没有eA散射，而且质子束流没有极化，其亮度也偏低（1031 cm-2s-1）。因此，EIC@HIAF 比HERA有明显的优势，HERA发现的一些迹象，可在EIC@HIAF上进一步研究。

EIC@HIAF研讨会，兰州 EIC@HIAF研讨会，兰州 The 2nd International conference on QCD and Hadron Physics（第一届：韩国浦项APCTP） 会议宗旨：EIC物理讨论；HIAF上的强子物理研究 2013年3月31日 EIC@China 研讨会，威海 时间：2013年7月27-30日 地点：威海，山东大学学术交流中心 受中国高能物理学会委托，2013年7月27-30日在山东大学（威海）学术中心召开了“2013 EIC物理研讨会”

部分子分布函数 一维的不依赖于横动量的分布函数包括： 自旋平均结构f1(x)和f2(x) 自旋结构函数g1(x)和g2(x) 三维分布函数：GPD和TMD GPDs – 1D momentum + 2D space distributions 作为部分子分布函数的直接推广，推广的部分子分布函数（GPD），能够给我们更多关于核子结构的信息 TMDs – 3D momentum distributions，通过SIDIS过程测量

EIC@HIAF测量GPD 由于EIC@HIAF能量较高，可以实现深度虚介子产生（DVMP）过程，DVMP过程可以分出不同味道的夸克分布函数 美国JLab 12 GeV装置的能量偏低，只能做DVCS,不能从DVMP过程干净地提取GPD函数信息 能量太高则cross-section降得太快也不合适 所以EIC@HIAF最合适

EIC@HIAF对TMD函数的测量 目前，我们对于TMD的认识还不多，大多信息只是局限在非极化的TMD和Sivers函数。对于其他的TMD，比如Boer-Mulders函数，虽然有一些理论上的尝试工作，但是还不是很成熟.需要更多的实验来证明 JLab 12 GeV 项目将提供价夸克区域的有关TMD函数的精确信息 EIC@HIAF则不但可以获得Q2更广区域的价夸克TMD函数精确测量，而且可测量海夸克的TMD函数 这些TMD实验结果，将为QCD动力学研究，包括新TMD和夸克胶子关联的演化方程研究，提供关键的实验数据

六个golden物理目标 国内外专家经过充分讨论，提出了EIC@HIAF的六个 golden物理实验目标： 海夸克极化的精确测量 夸克横向动量分布（TMD）的精确测量 不同味道广义三维分布结构（GPD）的精确测量 利用不同离子对强子化过程的详细研究 pion/Kaon结构函数的精确测量 EMC和SRC（核子--核子短程关联）的详细研究

The TMD simulation: Projections for SIDIS Asymmetry π+ 美国JLab SoLID和EIC@HIAF海夸克TMD Sivers函数的比较。 黑点: EIC@HIAF 3 GeV电子和12 GeV质子对撞过程，亮度4×1032 cm-2s-1,运行时间为200天；空心圆圈：SoLID质子靶，亮度1035 cm-2s-1,运行时间82.5天；空心三角：SoLID中子靶，亮度1035 cm-2s-1,运行时间69天（美国杜克大学高海燕组提供）。 EIC@HIAF亮度虽然比SoLID低几个数量级，但是仍然可以达到SoLID相同的精度

p 结构函数测量误差模拟 DIS过程p结构函数的测量误差模拟（Paul E. Reimer(ANL)提供）。 在x≤0.9区域测量结果是很精确的（误差小于3%） 这两个初步的EIC物理模拟结果已经表明EIC@HIAF在核子结构实验方面，相对于固定靶实验具有非常独特的优势

EIC@HIAF研究计划 物理和探测器的模拟： 陈剑平正在协助组织6个golden measurements的模拟 探测器模拟和设计 邱建伟、袁锋，陈剑平等英文白皮书写作 中文版（国内专家） 相关的理论研究 通过参加STAR/eSTAR, Jlab/MEIC和CEE等实验，在近物所培养一支EIC研究队伍 需要更多的国内外同行支持！

结论和展望 EIC物理是世界高能核物理界竞争非常激烈的一个领域 EIC@HIAF区域是研究海夸克的最佳窗口，同时还可以研究胶子和价夸克 专家提出了基于EIC的高能电子束，进一步建设 Super tau/charm 装置等初步设想 在欧美建成EIC装置前就建成EIC@HIAF，将使中国在核子结构研究领域处于世界领先地位

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