反質子與離子研究裝置

反質子和離子研究裝置(FAIR)項目是要開發新一代的粒子加速器。建立在德國達姆斯塔特市，它將根據德國國家重離子研究中心基礎設施現有的經驗和技術進展進行設計。周長為1100米的雙環設施將構成該裝置的核心部分，在此雙環上面還將組合各種實驗室。這一雙環同步加速器將提供迄今為止最強大的離子束流，可以生成不穩定原子核或者反質子的次級束流的強大束流。

基本介紹

• 中文名：反質子和離子研究裝置
• 外文名：Facility for Antiproton and Ion Research
• 簡稱：FAIR

簡介

2010年10月4日，歐洲基礎物理學領域最大的科研裝備項目之一——“反質子與離子研究裝置（Facility for Antiproton and Ion Research，簡稱FAIR）”在德國威斯巴登舉行了簽約儀式。德國和俄羅斯等九個國家的聯邦部長們共同簽署了這一耗資約12億歐元的國際合作協定，FAIR有限公司宣告正式成立。

構想

科學家們構想，中子星核心的物質以類似於宇宙大爆炸以後百萬分之一秒時刻物質的形式存在，即夸克、膠子以及其它基本粒子的初始狀態。夸克和處於離子體當中的電子一樣，因此能夠以幾乎自由的方式移動，不會與膠子連成一體。反質子和離子研究裝置將嘗試給科學界所提出的那些基本問題帶來一些答案，即是否可以重新生成原子核反應，以便從核物質開始一直到夸克和膠子物質，來重新構建和研究它們之間的轉變。因此，它將嘗試理解重原子核是如何產生的，以及元素、不穩定原子核的形成原因，在極端溫度和壓力條件下物質的狀態，甚至還希望理解暗物質的秘密所在，直到目前為止它們尚未能被實驗所證明。

實驗裝置鳥瞰

領域

• 原子核結構和天體核物理學
  
• 強子的結構，尤其是強相互作用力理論；
  
• 核物質階段以及夸克-膠子離子體的圖形；
  
• 高強度電漿物理學；
  
• 原子物理學，超強電磁場，採用離子束流的材料科學與生物科學中的技術與套用研究進展。
  

價值

FAIR將嘗試給科學界所提出的一些基本問題帶來答案，甚至還希望理解暗物質的秘密。因為儘管暗物質在構成了宇宙的物質中比我們所知的物質占更大的份額，但它們至今還沒有被直接觀測到。

另外，還可以研究反氫的形成和精密測量。科學家們希望對自然界的力和空間、時間的結構能有深入了解。“在地球引力場中反物質是否與物質受到相同的力？” 對這個簡單問題的回答對理解自然界的基本力具有深遠影響，而該答案有望通過FAIR高強度低能量的反質子揭示出來。因此，通過FAIR將使研究反物質成為可能。研究人員希望解開宇宙中反物質除了微小殘餘外很少存在的奧秘，以及為什麼那些我們已知的物質會成為首選構成了我們和我們周圍的世界。

FAIR輸出的超高能量的離子束，將使各種以前從未做過的實驗成為可能，來自全世界的科學家們將期待著對宇宙大爆炸以來的物質構成和宇宙演化有一個新的認識。它可以讓科學家們更好地理解反物質的反應，探索我們身邊物質的結構，尋找和測量所謂的膠子——一種由純能量生成的新的奇異的物質形態等等。研究人員還將利用FAIR專門研究恆星如何爆炸，以及其涉及哪些過程。因為根據我們目前的理解，化學元素是在大質量恆星爆炸時生成的，也就是說，所有的物質——包括我們自己——最終都來自於恆星爆炸後殘餘的星塵。

在實際套用中，FAIR可以生成與自然方式出現的宇宙射線一樣的離子束，這使得科學家們可以研究材料和組織樣本的離子效應。人們可就此測試衛星組件並進行載人航天任務的放射生物學或醫療新套用研究。

德國重離子研究中心科學主席霍斯特·施特克爾教授表示，有了FAIR，我們可以在實驗室里製造宇宙物質，這就意味著來自全世界的科學家們將進入新的物質層面，例如反物質或熱的恆星物質。為了該基礎研究，研究者還將開發新型高性能計算機，並且可以期待著新的納米材料以及生物醫學套用的突破。

合作

FAIR已被納入歐洲研究基礎設施戰略論壇（ESFRI）的“路線圖”中。眾多參與的國內外科研機構已在進行研究和開發準備。FAIR項目耗資大約12億歐元，其中德國將出資約75%，其他參與國出資約25%。該項目有16個夥伴國家，其中希望出資參與建設的有12個，除了已經簽約的芬蘭、法國、印度、波蘭、羅馬尼亞、俄羅斯、瑞典和斯洛維尼亞之外，中國、英國、沙烏地阿拉伯和西班牙也計畫加入。項目簽約後成立了FAIR有限公司，參與國即是股東，該公司將負責新設施的建設和運營，項目基建將在2011年至2012年開始。

FAIR是歐洲基礎研究方面最重要的大型科研裝置之一，它亦是世界上唯一可以提供各種科研可能性的平台。它能夠吸引更多傑出的科學家到德國來，無論是年青後備人才還是已取得重大成就的教授。FAIR最終落戶德國的黑森州，對黑森州成為國際科研地點起到了舉足輕重的作用。德國承擔的建設和運營費用部分中，由黑森州承擔9千萬歐元以及三分之一因所在地而產生的費用。

除了德國，在所有參與項目的夥伴國家中，俄羅斯出資最多，金額達1.78億歐元。而且作為最重要的合作夥伴，德國亥姆霍茲國家研究中心聯合會與俄羅斯原子能署（ROSATOM）早在2007年9月就在莫斯科聯合成立了FAIR俄羅斯研究中心（FRRC）。該研究中心主要協助把俄方的科研成果套用到粒子加速器FAIR上，並促進優秀的俄方青年科學家參與FAIR項目的建設。

中國積極探討與FAIR的合作。2010年上半年已經研討了未來中國科學家在原子物理與高能量密度物理、NuSTAR相關的物理、核物質相關的物理、強子物理等領域參與FAIR項目研究的可能性，並形成中國—FAIR白皮書。

實驗裝置圖