EIC@HIAF设想与物理 陈旭荣 中科院近代物理研究所 基于加速器的高能物理发展战略研讨会, 2014.3.21

提纲 引言 EIC@HIAF设想 EIC@HIAF物理 结论和展望

2012双清论坛--核子结构及特性 对核子做三维的成像是全新的研究核子结构的方向。与此相关的物理量能揭示夸克和胶子的轨道角动量对核子自旋的贡献，从而解答40年来关于质子自旋之谜。在理论上，对核子结构的研究一直是QCD研究的重要课题，包括微扰和非微扰效应的因子化问题、核子内部部分子的结构问题等 中国理论物理学家在这方面的研究工作处于领先地位，中国实验物理学家正积极参与和领导在Jefferson实验室正在筹建的SoLID的大型项目。SoLID有望在核子多维结构函数和标准模型精细检验与新物理的寻求等方向产生重大突破

研究核子结构的重要性 核子结构中的前沿问题： 夸克胶子味分布和自旋分布 核子的三维结构：GPD/TMD等 电子散射与对称性破缺实验 …… 如果能得到核子内部分子分布清晰的图像 将可以解决目前关于核子性质的疑难 将大大深化人们对核子结构的微观认识 将为格点QCD以及诸多唯象模型的计算提供精确检验 电子离子散射EIC机器的建造，将揭示核子结构的三维乃至全息图像，将为我们在核子结构等领域做出重大发现提供良好的机会

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

Theory @ EIC Lattice Gauge Theory Condensed Matter Physics High Energy (LHC,LHeC Cosmic Rays) Lattice Gauge Theory Condensed Matter Physics (B-E Condensates, Spin Glasses Graphene)

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

EIC@HIAF设计 A electron accelerator system will be developed for researches based on the electron-ion collision (EIC) in the second phase. The CRing will update to Figure-8 shape for the spin preservation during the acceleration. HIAF first phase 3.0 GeV (e) Electron injector （eLinac） HIAF second phase 6 7 5 （CRing） EIC ER 3.0 GeV (e) 3.5×1013 12.0 GeV (p) 4.5×1012 EIC 8 Multi-fuction Booster Ring （BRing） Spectrometer Ring （SRing） 4 1 Polarized proton source 6.0 GeV (p) 2.3×1012 3 50 MeV/u (p) ion Linac (iLinac) 1 pmA 1 Hz, 680 μs 2 8 8

EIC@HIAF 计划 为了更好地利用我国自主建造的大科学装置，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： 电子束流能量600 MeV～3 GeV, 质子束流能量 12 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）

EIC@HIAF第一期实验的x主要区间为[0.01, 1]

Lepton-Nucleon Facilities EIC@HIAF: e(3 GeV) +p(12 GeV), both polarized, L = 4 x 1032cm2/s HIAF

EIC@HIAF独特的优势 EIC@HIAF这个区域除了可以研究价夸克外, 还是研究海夸克的最佳窗口 EIC@HIAF的实验将比JLab的运动学范围更广，在较广的x范围内，不但可以提供价夸克的分布函数的信息，还能提供海夸克，以及胶子的分布函数的信息 更有效地检验和理解QCD理论，包括格点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 在核子结构方面，它的主要优势在于能够给我们更多更精确包含极化的多维夸克分布函数信息 美国和CERN未来的EIC装置主要优势是研究胶子

5D Dist. 3D imaging 1D 核子三维结构 Wpu(x,kT,r ) Wigner distributions (X. Ji ) 5D Dist. d3r TMD PDFs f1u(x,kT), .. h1u(x,kT)‏ GPDs/IPDs d2kT drz d2rT dx & Fourier Transformation d2kT 3D imaging Form Factors GE(Q2), GM(Q2)‏ PDFs f1u(x), .. h1u(x)‏ 1D

核子GPD测量 GPDs – 1D momentum + 2D space distributions 实验上，通过深度虚康普顿散射（DVCS）可以探测GPD，也可以通过meson (pi , kaon…）production过程---DVMP过程探测GPD JLab 12 GeV升级后，其能达到的x范围是 0.1 < x < 0.7，在这个范围，价夸克的贡献是主要的，而EIC能够使x达到10-2~-3 量级，而在这个区域，海夸克和胶子是主角 JLab能量低只能做DVCS，能量太高则xcross降得太快也不合适，所以EIC@HIAF最合适

TMD函数测量 TMDs – 3D momentum distributions，通过SIDIS过程测量 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，而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

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“2013EIC物理研讨会”

共识 - EIC@China 威海研讨会 与会专家还结合中国高能物理学界正在研讨的其它几个加速器高能物理选项，对HIAF上EIC设计与未来其它选项结合进行了一些讨论 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 与会专家建议，在HIAF设计中，对这些可能性进行深入研讨，为未来发展留有空间。

六个golden物理目标 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%）

EIC探测器设计考虑 EIC探测器的设计应当根据物理目标来决定。针对不同的物理目标，进行全举、半全举和单举测量。需要探测的粒子包括光子、中子、电子、质子和π介子等。 根据EIC@HIAF的物理目标，要求谱议满足以下条件：粒子辨别(PID) （e/π/K/p）；测量散射电子的能量和角度；测量强子末态；高动量分辨率；粒子测量和光子测量等 EIC@HIAF应当根据自身的物理目标和要求，开发相应的探测器。我们将开展国内外合作，不断优化谱议设计

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 EIC物理是世界高能核物理界竞争非常激烈的一个领域，美国在该领域已进行了十几年的调研与准备，并集中了一大批优秀的物理与装置建造队伍，JLab和BNL有极化的电子离子束流及EIC探测器设计经验，其中有一批华人科学家在该领域发挥着重要作用 在国内外专家的关心和积极推动下，争取中国EIC装置于2020年左右完成。而美国EIC最早有可能在2020年开始建造，需5～10年完成装置的建设。因此，中国EIC将在5～10年甚至更长时间内在这一基础科学与相关技术研究领域处于世界领先地位 EIC@HIAF的建造将为国内高能物理和核物理学界提供一个历史性的机遇 这项研究已经刻不容缓

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