2026 年 2 月 6 日星期五上午 9 點剛過，最後一束氧離子——被剝離了電子的氧原子——在相對論性重離子對撞機 (RHIC) 兩條周長 2.4 英里的環形加速器中循環，並在接近光速的速度下，於對撞機內兩台龐大的粒子偵測器 STAR 和 sPHENIX 中相互碰撞。RHIC 是美國能源部 (DOE) 布魯克海文國家實驗室的核物理研究設施，自 2000 年夏天以來一直在進行原子對撞。這次最後的對撞標誌著一個為期四分之一世紀的非凡實驗的結束，這些實驗使用了十種不同的原子，在各種能量和不同配置下進行碰撞。RHIC 計畫在物質基本構成、質子自旋的性質以及加速器、偵測器和計算技術方面取得了突破性發現，其技術進步遠遠超出了這台發現機器首次啟用時科學家的預期。
美國能源部科學副部長 Darío Gil 和代理實驗室主任 John Hill 於 2026 年 2 月 6 日星期五在布魯克海文國家實驗室舉行的總結對撞活動中，正式結束了相對論性重離子對撞機的運行時代。攝影：Kevin Coughlin/BNL。
DOE 科學副部長 Darío Gil 表示：「RHIC 是 DOE 科學辦公室營運中最成功的用戶設施之一，為來自全國各地和全球的數千名科學家提供了服務。」「支持這些獨一無二的研究設施，推動了技術的極限，並透過變革性的科學拓展了我們對世界的理解——這是 DOE 確保美國安全與繁榮使命的核心支柱。」
Gil 出現在布魯克海文實驗室對撞機園區的主控制室，以宣布建造新的先進核物理研究設施——電子-離子對撞機 (EIC) 的下一個重要里程碑，該設施將透過再利用 RHIC 的主要組件來建造。
布魯克海文實驗室對撞機-加速器部門 (C-AD) 主席 Wolfram Fischer 在談到整個 RHIC 計畫時說：「這是一段令人驚嘆的運行時光。」作為 C-AD 的負責人，Fischer 負責對撞機及其所有輔助加速器基礎設施的日常營運。「經歷了 1999 年秋季首次調試時試圖讓粒子束循環的挑戰，當時無法想像這台機器的性能會進步到如此程度。」他說。「我們在產生的對撞數量、對撞能量範圍、碰撞離子的種類以及我們對準質子自旋並維持高極化程度的能力方面，都遠遠超出了最初的設計。」
第 25 次也是最後一次運行產生了 RHIC 上能量最高的兩束金離子（RHIC 上碰撞最重的離子之一）正面碰撞所產生的最大數據集。它還產生了大量的質子-質子對撞數據，這些數據將為質子自旋提供重要的比較數據和見解，以及一系列低能量固定靶對撞數據，以完成 RHIC 的「粒子束能量掃描」，並進行最後一次氧-氧相互作用。所有這些數據將添加到 RHIC 偵測器先前收集的數據中——STAR 自 RHIC 開始運行以來一直進行了多次升級；PHENIX 是另一個原始 RHIC 偵測器，於 2016 年停止運行；PHOBOS 和 BRAHMS 是兩台較小的原始偵測器，分別於 2000 年至 2005 年和 2006 年運行；sPHENIX 是 RHIC 最新、最快速的對撞「攝影機」，於 2023 年上線。
這次最後的運行為新的 sPHENIX 實驗產生了主要數據集。今年，sPHENIX 累積了超過 200 PB 的原始數據——即 200 千兆兆字節——超過了之前所有 RHIC 原始數據集的總和。這個龐大的數據集包括 400 億張在金離子對撞中產生的獨特物質形態的快照。
總體而言，RHIC 的測量將填補物理學家對夸克和膠子組成的基本粒子湯（約在 140 億年前，大爆炸後一微秒時最後一次存在於自然界）如何凝聚並形成構成我們今日世界可見一切的普通原子粒子的理解中的缺失細節。重現這種被稱為夸克-膠子漿 (QGP) 的原始物質，是建造 RHIC 的主要原因。RHIC 對金等重離子的能量碰撞旨在透過熔化質子和中子的核粒子邊界，將夸克和膠子從它們的「禁閉」狀態中釋放出來。
由於日本理化學研究所 (RIKEN) 的大力貢獻，RHIC 還具備了極化質子的獨特能力，以便物理學家能夠探索質子自旋的起源。這種內在的量子特性，有點類似於行星繞軸旋轉，已被用於開發核磁共振成像和醫學 MRI 等強大技術。RHIC 的極化質子對撞為理解質子自旋如何從其夸克和膠子中產生提供了一個新的視角。
PHENIX 和 STAR 都收集並發表了使用選擇「觸發器」來決定捕捉和研究哪些事件的大量自旋極化對撞結果。在第 25 次運行期間，sPHENIX 成為世界上第一個記錄 RHIC 自旋極化質子對撞連續串流數據的偵測器——從而消除了對觸發器的需求，並可能為意想不到的發現鋪平道路。
布魯克海文實驗室代理主任 John Hill 表示：「這次 RHIC 的最後一次運行，及其令人印象深刻的數據集，是整個 RHIC 計畫成功的總結。」「布魯克海文的科學家、工程師和技術人員因其在 RHIC 運行期間的奉獻和創新——以及不斷尋找最大化這台非凡機器科學產出的新方法——而應獲得巨大讚譽。我們也非常感謝美國能源部的持續支持，以及來自其他 DOE 實驗室、美國大學和全球科學機構的合作夥伴。對構成我們世界的物質及其起源的探索，一直以來，並且將繼續是一個真正的國際性事業。」
2001 年初，隨著最早的 RHIC 數據出來，一些科學家確信他們看到了大爆炸後 QGP 的跡象。但數據也帶來了令人費解的驚喜。與預測的均勻膨脹的夸克和膠子氣體相反，在 RHIC 碰撞中產生的物質似乎更像液體——而且，令人驚訝的是，其黏度極低。額外的實驗和仔細的多年分析，使四個原始 RHIC 合作組在 2005 年得出結論，RHIC 產生了一種近乎「完美」的液體。到 2010 年，他們有了足夠的證據，可以宣稱這種液體足夠熱，是長期尋找的 QGP。
從那時起，RHIC 的物理學家們一直在對 QGP 進行精密測量，包括其不同階段的溫度、它的旋轉方式——它是最旋轉的物質！——原始湯中的夸克和膠子在不同溫度和壓力條件下如何轉變為構成我們世界中原子的核物質，以及即使是小粒子碰撞如何產生微小的 QGP 液滴。他們探索了中子星中發現的奇異核物質形式，偵測到了實驗室中創造的最重的奇異反物質的痕跡，並探索了可見物質如何從真空的「虛無」中出現。sPHENIX 實驗最近才發表了其首批物理結果，為其未來的科學洞察奠定了基礎。
布魯克海文實驗室理論家 Raju Venugopalan 表示：「RHIC 透過展示『煮沸真空』的顯著後果，徹底改變了核物理學，這是對著名物理學家 T. D. 李對由量子色動力學 (QCD) 控制的物質的描述的引用。」「在 QCD——描述夸克、膠子及其相互作用的理論——中，RHIC 的發現推動了新的分析方法和高性能計算的快速發展。RHIC 數據還引發了 QGP 流體行為與強關聯凝聚態系統（包括超冷原子）之間，以及與量子糾纏和黑洞形成與蒸發等概念之間的幾項意想不到的聯繫。」
核物理理論的進步和龐大的 RHIC 數據集也推動了超級計算機、用於分析「大數據」的人工智能方法以及與世界各地 RHIC 合作夥伴無縫儲存和共享數據所需的基礎設施的發展。2024 年，布魯克海文的數據中心——其中還儲存了歐洲核子研究組織 (CERN) 的大型強子對撞機 (LHC) 的 ATLAS 實驗和其他實驗的數據——已超過儲存 300 PB 數據的里程碑，這是美國最大的核物理和粒子物理數據彙編。隨著 RHIC 和 ATLAS 的最新數據，總量現已超過 610 PB。
攝影：Jen Abramowitz/布魯克海文國家實驗室
在質子自旋計畫中，RHIC 的測量極大地提高了科學家確定膠子對質子自旋的貢獻以及夸克貢獻的精度。這項努力的動機是 1980 年代其他地方實驗的令人驚訝的結果，這些結果表明夸克僅貢獻了這一量子特性的很小一部分。最初人們認為膠子貢獻了其餘部分。RHIC 的測量顯示，膠子的貢獻約等於夸克的貢獻——不足以完全解決「自旋之謎」。最近的一項分析確定，至少有一些膠子與它們所在的質子的自旋對齊。但這個自旋之謎仍有待探索。
布魯克海文實驗室物理學家 Elke Aschenauer 表示：「自旋是宇宙中除希格斯玻色子外所有基本粒子的基本量子數之一。」「RHIC 的測量為理解質子自旋的複雜性奠定了基礎。未來的 EIC 將是研究質子自旋的精密儀器。」
儘管已經取得了許多令人印象深刻的發現，RHIC 的物理學家們表示，未來十年還將有更多發現。
布魯克海文實驗室核與粒子物理學副主任 Abhay Deshpande 表示：「RHIC 的科學任務將持續到我們分析完所有數據並發表所有論文為止。」他強調了保存 RHIC 數據以供未來科學分析的重要性。
RHIC 的數據也將繼續作為連接目前和計劃中的低能量核物質碰撞實驗（例如在德國建造的質子反質子加速器和離子研究設施 (FAIR) 以及 CERN 的超級質子同步加速器）與 CERN LHC 的高能量實驗之間的重要橋樑。
布魯克海文實驗室物理學家、STAR 合作組聯合發言人 Lijuan Ruan 表示：「分析最新的 RHIC 數據也將有助於培養運行和分析未來實驗數據所需的下一代物理學家。」
未來的重要部分將在布魯克海文國家實驗室進行，RHIC 加速器園區的主要組件將在一個新的核物理研究設施——世界上唯一的極化電子-離子對撞機 (EIC) 中延續。工程師和技術人員將移除 RHIC 的一個離子儲存環，並在現有的加速器隧道內替換為一個新的電子儲存環。同時，另一個經過翻新的 RHIC 環將接收由 C-AD 現有注入器產生的離子，這些離子將沿著與電子相反的方向在隧道中運行。科學家們將利用 RHIC 25 年運行期間獲得的經驗——以及大量的 RHIC 加速器物理學數據——來開發和訓練新的 AI 演算法，以優化 EIC 加速器的性能。
當電子與離子在兩個 EIC 環交叉處碰撞時，其作用將被一個全新的粒子偵測器捕捉。這些顯微鏡般的相互作用不會重現早期宇宙，而是能夠進行精密測量，揭示夸克和膠子在我們當今世界物質中的組織方式和相互作用方式。
Deshpande，同時也是 EIC 的科學主任，表示：「我們將了解夸克和膠子如何產生質量，它們的相互作用如何貢獻於質子自旋，以及更多將徹底改變我們對物質理解的知識——正如我們在 RHIC 探索的科學一樣。」「這是布魯克海文實驗室和美國核物理學的未來。」
EIC 新電子儲存環設計的加速器物理學家之一 Daniel Marx 表示：「這將極具挑戰性，但也令人興奮。我們將做前所未有的事情。」
也許 Marx 呼應了最初建造 RHIC 的物理學家的感受，展示了 RHIC 遺產的另一個重要部分：持續解決前所未有科學和技術挑戰的意願。
Deshpande 表示：「我們相信，憑藉我們在建造和運行 RHIC 過程中發展起來的專業知識，我們將擁有能夠實現 EIC 的人才。」
RHIC 和未來的 EIC 主要由 DOE 科學辦公室資助。
布魯克海文國家實驗室由美國能源部科學辦公室支持。科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大支持者，並致力於解決我們這個時代最緊迫的挑戰之一。欲了解更多資訊，請訪問 science.energy.gov 。