24歲的對撞機如何引領物理學新紀元？

物理學家正利用「相對論性重離子對撞機」（RHIC）來測試即將問世的「電子-離子對撞機」（EIC）關鍵技術。這座位於美國能源部布魯克海文國家實驗室的RHIC，雖然已運轉24年，卻意外成為下一代尖端裝置的最佳試驗場。

即將在布魯克海文實驗室建造的EIC，是史上首座專門研究原子核內部結構與基本作用力的對撞設施。這項耗資數十億美元的計畫由布魯克海文與傑佛遜實驗室共同推動，將沿用RHIC現有的離子加速環，並新增電子加速環等先進元件。

「我們每兩週就會在RHIC進行16小時的加速器物理實驗（APEX研究），」負責該計畫的加速器物理學家黃海欣表示。這些研究原本是為了提升RHIC效能，如今更聚焦於EIC的技術驗證。令人驚豔的是，透過各種創新策略，RHIC的碰撞率已比原始設計高出近50倍。

要理解對撞機的關鍵指標「亮度」，可以想像兩束粒子流相遇時碰撞的頻率。EIC物理學家羅雲解釋：「我們需要將離子束壓縮成『緞帶狀』，才能與電子束完美匹配。」去年APEX實驗成功證明，這種前所未見的扁平束流技術確實可行。

維持束流穩定的秘訣在於「冷卻技術」——就像冰箱降溫般，讓帶正電的離子束與冷電子束共行。布魯克海文團隊已驗證這項技術能有效縮小束流尺寸，並計劃在EIC採用改良版方案，包括延長冷卻區段與調整電子束模式。

同步問題是另一大挑戰。由於電子速度幾乎恆定，而質子速度會隨能量改變，團隊開發出精準的軌道調控技術，能讓質子束在70毫米寬的管道內偏移達20毫米。羅雲強調：「我們已證實可以同步兩種粒子的執行時間。」

面對更高強度的束流可能引發的穩定性問題，團隊正測試各種解決方案，包括安裝阻尼器來修正粒子軌跡。此外，為防止質子與殘留氣體產生「電子雲」導致超導磁鐵失超，EIC將在管道內加裝鍍有非晶碳的束流遮蔽層。

今年APEX研究還解決了磁場幹擾的潛在危機。當測量發現RHIC離子環產生的雜散磁場可能影響電子加速器時，團隊果斷調整設計，提高電子注入能量來避開幹擾區段。

除了質子研究，EIC還將透過氦-3核碰撞來探索中子特性。黃海欣團隊的最新實驗顯示，氦-3束的碎裂比例僅有幾個百分點，不會影響重要的自旋極化測量。

更令人振奮的是，團隊已開始運用機器學習來最佳化對撞機效能。從提升亮度到解耦合粒子運動，AI技術展現驚人潛力。羅雲肯定表示：「這些創新方法都將為EIC的未來運轉帶來實質幫助。」

這些開創性研究獲得美國能源部科學辦公室支援，證明老當益壯的RHIC仍是推動物理前沿的關鍵引擎。隨著各項技術難題逐步攻克，EIC已蓄勢待發，準備揭開物質最深層的奧秘。