问题概述:自然界中90%以上的可见物质都受强相互作用（自然界四种基本相互作用之一）支配，而量子色动力学（QCD）是描述强相互作用的现代理论。2013年，令人们期盼已久的Higgs粒子被实验证实，从而补齐了QCD理论欠缺的重要一环。这是粒子物理和核物理研究的一个巨大成就，因而迅速获得了当年的诺贝尔物理学奖。

量子色动力学的成功极大加深了我们在微观尺度上对物质的了解。与此同时在许多与QCD相关的重要问题上，我们仍面对大量的未知。根据量子色动力学，强相互作用的自由度是夸克和胶子，而夸克胶子之间的非阿贝尔色相互作用具有渐近自由的性质，同时自然界中各种基本粒子的质量都来源于手征对称性的自发破缺。然而对构建宇宙中大多数可见普通物质的强子，即质子和中子，受限于QCD低能标下的非微扰特性，其结构、质量和自旋起源在很大程度上仍然不清楚。此外在宇宙演化的早期阶段，虽然依赖QCD理论我们能够理解该时期物质的行为，并推测在极高温度时夸克胶子等离子体（QGP）这一新的物质形态可能存在，但是我们不知道物质在什么条件下、如何从QGP状态转换到普通的强子物质状态。而在致密天体（例如中子星）这种温度虽低但密度极大的强相互作用体系中，也存在同样问题。

这些问题的存在，表明我们对QCD自由度下的强相互作用物质的相结构了解甚少。相结构可由相图描述，例如水的相图揭示了水、水蒸气和冰三种物态的温度、压强等宏观热力学属性及其它们之间相互转化与共存（即相变）的条件。核物质的相结构，包括含有强作用自由度（夸克和胶子）体系的相变和可能的临界点等信息。

高温极限时的相变可能发生在宇宙早期，高密极限物质可能对应于致密天体。而在两个极端之间的QCD相变只有通过相对论重离子碰撞实验才有可能实现。不同能量的重离子碰撞则对应于相图上不同的密度区域，例如在美国相对论重离子对撞机（RHIC）上每对核子对撞能量达200GeV，而欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）上，对撞能量高达5.4TeV，这些能区的重离子碰撞能产生极高的温度。根据量子色动力学，和所有相互作用相似，多粒子效应可以改变QCD的动力学性质。提高系统的温度，真空被激发，产生粒子对；压缩系统时，粒子数密度提高。在上述条件下，当夸克的波函数发生重叠时，作为单个客体的强子消失。每个夸克都不再只属于某个强子，而是可以在整个系统内运动。有限温度格点QCD计算表明，在温度 T≈150－160MeV时将同时发生夸克禁闭解除相变和手征对称性恢复相变，产生一种新的物质形态——夸克胶子等离子体（QGP）。寻找高温夸克胶子等离子体并探索其性质，正是RHIC和LHC的主要物理目标。

图1 中高能重离子碰撞的QCD相结构示意图［1］。（1）在LHC, RHIC能区, 产生的核物质的温度高密度低，从QGP到强子物质的相变是平滑过渡。（2）在RHIC(能量低端)，SPS和FAIR能区, 产生的核物质的密度较高，从QGP到强子物质的相变要穿过一级相变线（图中黑色粗线）。从一级相变到平滑过渡区将有临界点产生（图中黄色方点）（3）在HIAF能区, 核阻止本领极大，将产生高重子密度核物质。

近年来，以QCD对称性为基础建立起来的模型计算表明，当密度升高时，不仅会发生解除禁闭和手征恢复相变，而且相变由连续向突变过渡。同时格点QCD计算结果也表明QCD临界点不可能在重子密度趋近于零的高能端。因此自2010年以来，科学家的研究兴取逐渐转向高密度区。

图1显示的是QCD的相结构示意图[1]，在低温极高重子密度区，相关的物理问题涉及禁闭、手征对称性破缺、新的核物质相与中子星的内禀属性等，都是中高能重离子碰撞领域的主要研究目标。为了在这一重要方向上取得突破，目前国际上开展了多项重大研究设施的建设工作。例如俄罗斯正在建造中的全新重离子对撞机（NICA）[2]，她的对撞中心能量范围是每核子对4 - 11GeV。还有德国正在建造中的反质子-离子研究装置（FAIR）[3]，其束流能量可达45GeV/u，在高亮度的固定靶重离子碰撞实验（代表是CBM）中，相当于每对核子对撞能量达5GeV。在这个能量区间，碰撞核被高度压缩，在相互作用区域内不仅有较高的温度，而且能产生极高的重子数密度。而探索高密QCD相变，寻找QCD临界点正是他们的首要目的。

按照计划书，NICA和FAIR将在2023~2025年出束，而我国“十三五”重大科学工程项目-强流重离子加速器装置（HIAF）的建造工作即将展开，同样计划在2023年完成。HIAF能够提供高品质的重离子束流，第一期完成后束流能量可达9GeV/u，在固定靶实验中相当于每对核子对撞中心能量2.5GeV。如果利用HIAF的束流开展QCD相结构实验研究工作，研究领域不仅涵盖了包括致密物质中介质效应对强子性质的影响、高重子数密度区间的QCD相结构以及相变临界点位置和物质的奇特态或奇异粒子凝聚等物理目标，还可以向相对低温而更高重子化学势(重子数密度)的区域延伸。后者不仅具有非常丰富的相结构，还有与恒星演化密切相关的状态方程信息。这将极大的促进我国在相关领域研究工作取得重要突破和国际影响力的扩大，同时提升国家大科学装置在实验核物理领域的国际地位。

QCD相结构实验研究需要实现对中能重离子碰撞产物的全空间探测和鉴别，这在探测器设计、建造，电子学和数据采集技术等方面都是巨大的挑战，而为了配合HIAF的投入运行，相关工作也必须尽快开始。值得高兴的是经过近些年的努力，国内在自主开发先进核探测和快电子学等尖端技术方面都取得了较大的进展，也培养了一支年轻的科学家队伍，为相关工作的开展奠定了良好的基础并积累了宝贵的经验。

重要意义: 自然界中90%以上的可见物质都受强相互作用支配，而量子色动力学(QCD)是描述强相互作用的现代理论。在取得巨大成功的同时在许多重要的相关问题上仍面对大量的未知，而这很大程度上是由于我们对QCD自由度下的强相互作用物质的相结构了解甚少。近期的模型计算显示QCD相变存在临界点，且不可能在重子密度趋近于零的高能端。我们都知道临界点在任何物质相图上的重要性。在强相互作用相图中，QCD临界点的发现将是里程碑性的。研究在高重子密度环境下核物质相结构，特别是寻找QCD临界点，它将揭示强相互作用在一个新层次上的物理结构，她的发现将会影响到人类对大爆炸后宇宙演化历史的理解以及对目前宇宙中星体内部结构的重新认识。

我国即将开始建设的强流重离子加速器装置（HIAF）将为在国内开展这一领域研究提供高品质的重离子束流条件。建设与之配合的先进探测设备，实现在国内的大科学装置上开展世界一流的科学研究，这对于提升国家大科学装置在实验核物理领域的国际地位、推动相关领域研究的国际进展、自主开发核探测设备和快电子学等尖端技术具有重要的科学意义，同时也将为中高能核物理实验人才队伍的培养提供一个良好平台。