问题概述：量子电动力学（Quantum Electrodynamics，QED）是描述光与物质相互作用的理论，并且完美结合了量子力学与狭义相对论，能够极其精确地预言电子的反常磁矩和氢原子能级的兰姆位移(Lamb shift) 等物理量，所以费曼称之为物理学中的“瑰宝”。QED效应在弱电场的情况下已经得到了精确的检验，例如在氢原子中的检验精度已经好于10-10的水平；但是在强场条件下（例如类氢铀离子U91+中），检验精度目前只达到了10-2的水平。但是，在超强场条件下的QED效应从上世纪30年代开始就令科学家关注，包括海森堡（Heisenberg）和Euler等人的研究做出了开创性贡献。特别是上世纪50年代初施温格（Schwinger）成功从理论上描述了在静态均匀场中的正负电子对的自发产生过程，即如果场强趋近施温格临界值Ecr=1.3×1016 V/cm，真空中将自发产生正负电子对（spontaneous electron-positron pair creation）。由于施温格的系统性和开创性的理论研究贡献，这种超强场中真空失稳而产生正负电子对过程被称为施温格效应（Schwinger effect），或者施温格机制（Schwinger mechanism）。尽管这种理论预言的强场QED真空衰变机制被科学家广泛接受，但是，迄今为止还没有得到实验的验证。

一个关键因素是目前在实验室宏观上无法产生临界场（Ecr=1.3×1016 V/cm）或者超越临界场的条件。上世纪六、七十年代，德国Greiner领导的法兰克福小组首先理论预言了重离子碰撞过程中的真空衰变以及产生正负电子对的机制。理论预言，如果存在或者能够合成核电荷数Z超过173的超重元素，由于相对论效应，原子的内壳层轨道电子的束缚能将急剧增加，1s1/2电子态有可能跨越正负电子能量间隙进入狄拉克方程预言的负能量连续态（-511 keV），形成所谓的“超临界态”，从而能够通过真空撕裂产生正负电子对。然而，假如存在原子序数Z=173原子，如果其1s态被电子填充，由于泡利不相容原理，潜入狄拉克海的1s态也不可能产生可观测的效应，除非能够将1s电子先电离而制备1s空穴态。

高能重离子加速器技术和新实验技术的发展为实现“超临界态”带来了新的希望。上世纪八十年代，科学家利用德国重离子研究中心GSI的直线加速器UNILAC上产生的高电荷态离子Pb，Th，U等与固体重靶Th，U和Cm碰撞，观察到了疑似正电子单能峰，但无法得到QED理论的解释。1995年美国阿贡国家实验室APEX小组进行的重复实验否定了GSI的正电子单能峰实验结果，并且证明利用高电荷态重离子打固体靶产生的正电子主要来源于核反应而不是直接的真空撕裂。最新的理论研究表明，如果两束全裸的重离子发生碰撞，同时保持其在质心系中的能量在库仑位垒之下，当两个原子核接近时，会形成瞬时的准超级原子，例如，对于U + U（Z=92）碰撞体系，可形成Z > 184的超级原子态。这个超级原子的1s空电子态会潜入狄拉克负能量连续态，造成电子遂穿狄拉克正负电子能隙而填充1s态，同时在狄拉克海产生一个空穴，即正电子的产生。此过程就是“自发电子对产生”，也称之为QED真空衰变。由于裸离子中的电子轨道没有电子，理论预言束缚-自由电子对产生的几率相对于非裸离子碰撞固体靶要大两个量级，这为深入探索超强场QED效应提供了前所未有的条件。实验研究需要从亚临界场到超临界场的场强区域探索相关的动力学过程，从而能够提供清晰的证据来证实或者否定1s能级潜入狄拉克海的过程以及由此导致的自发电子对产生机制。此外，超临界场强的量子电动力学效应的研究离不开精细理论研究和多重微分实验测量，涉及到裸离子以及非全裸离子-离子碰撞的相关过程：正负电子对产生、电荷转移、电离、电子激发伴随的X射线和俄歇电子发射。为了开展成功实验研究，需要从加速器技术方面攻克重离子束追击对撞和束流精确操控的难点，研制新型可鉴别电子、正电子及重离子的位置-时间灵敏混合阵列探测器装置。

有关“超临界态”的形成和诱发正负电子对产生的理论研究同样面临巨大的挑战，国际上正在从简化的单极理论（Monopole approximation）向双中心理论发展，有望在未来几年取得突破性进展。

重要意义：基于大型重离子加速器装置开展高电荷态重离子碰撞，实现超临界场强，将创造在实验室极端环境，必将开启超临界场QED物理的研究，深化对极端强场条件下的量子电动力学和真空演化的认识，在国际上引领超临界场和极端条件物理的研究，发现新的研究方向。