宇宙浩瀚无穷，但几乎所有的物质都由原子构成的。不过，这不是物质的最底层，原子还可以继续分解为电子和原子核，其中原子核的质量则占到了原子质量的99.9%以上，但是它的体积只有原子的千万亿分之一！宇宙于物质的秘密似乎被囚禁在一颗小小的核内。

那我们有没有办法打破原子核，释放宇宙的秘密呢？

有的！

就在广东省惠州市，中国科学院近代物理研究所建设了一台专门用于原子核研究的加速器——强流重离子加速装置（HIAF）。

强流重离子加速装置园区，位于广东省惠州市

（中国科学院近代物理研究所）

与我们熟知的北京正负电子对撞机不同，强流重离子加速装置加速的是重离子。离子就是被剥离一个或多个电子之后的原子，而重离子则对应氦元素之后的元素。整个加速器装置总长约1.7千米，埋在地下13米，它有一个离子源用于产生最初的离子，一个超导直线加速器对离子进行预加速，一个增强器（BRing）继续提高离子的能量。

获得足够能量的重离子再根据需要被送入到不同的研究终端去做各种各样的实验。这里有评价先进核能材料抗辐照性能的强流离子束辐照终端，有可以合成新元素和新核素的充气反冲谱仪终端，还有高能核物理研究的高能综合研究平台，包括用于研究核物质相结构、QCD相变与临界点的核物质相结构终端，用于研究超核性质、扩展超核存在版图的超核终端等等，以及还有能够精确测量原子核质量和寿命的高精度环形谱仪等等。

终端种类丰富，各式研究任您挑选。

强流重离子加速装置的组成部分和实验终端

（中国科学院近代物理研究所）

在强流重离子加速器装置上的研究，大概可以分为“顶天”和“立地”两类，下面举例介绍一下。

顶天——原子核中的宇宙秘密

原子核是一个非常复杂的多体系统，除了只有一个质子的氢原子核外，其它所有原子核都是由质子和中子组成的。质子、中子之间存在强核力，把它们“粘起来”；而带正电荷的质子之间也存在电磁排斥力“从中作梗”。如果质子太多，质子之间的电磁排斥力太强，原子核就不稳定，因此，也就需要加入一些中子，充当“和事佬”，把质子隔离开，才能稳定原子核。

不过，因为泡利不相容原理，如果中子过多，就会有很多中子处于比较高的能量状态，这样也会造成原子核的不稳定。所以，只有质子和中子大概在1:1的比例上（对于比较重的原子核，中子会比质子多一些），原子核才能稳定。否则，平衡被打破，原子核就开始“散架”，也就是发生放射性衰变。

对于质子和中子都比较多的超重元素通常是不稳定的，容易通过放射性衰变迅速分解。不过，科学家认为，如果原子核中质子数和中子数达到某些特定组合时，即使这些原子核的质量非常大，也有较高的稳定性。这就是超重核稳定岛。然而目前为止，尚未发现真正稳定的超重核。

稳定岛三维示意图。中子数N和质子数Z不同的原子核，稳定性也不同。科学家预测，在质量很大的原子核区域，或许存在一个稳定的区间。

（维基百科“稳定岛”词条）

而对于原子核稳定性的研究，在强流重离子加速器装置上有多个终端，比如低能综合终端中的充气反冲谱仪，通过重离子打靶，合成新的元素，以此探究原子核的存在极限。值得一提的是，“点石成金”并非天方夜谭，而是实打实地被发现了，所谓的点石成金，从核科学的角度来说，就是一种原子核变成另外一种原子核，这正是重离子打靶实验内发生的过程。只不过，产生的金原子核数量过少，只有几千、几万个，用这样巨大的机器生产金子，得赔掉裤子！

自然界中存在的最重的元素是第92号元素铀238，在这之后的元素，从93号到118号，都是在实验室内人工合成的，然而，这其中尚没有原子核是中国合成的。那我们能否率先合成119、120号元素，将五星红旗插上元素周期表？原子核是否存在稳定极限？

或许这里将给出答案。

精确测量原子核质量

作为原子核的基本属性之一，原子核的质量，在强流重离子加速装置中也会进行精确测量，使用的是高精度环形谱仪（SRing），它的外观就是一台环形的加速器，通过测量原子核在环中的转速，就能推算出其质量。质量不仅影响原子的性质，甚至还决定了恒星的生死、元素的起源，乃至我们自身的构成。

能够精确测量原子核质量的高精度环形谱仪SRing

（中国科学院近代物理研究所）

实际上，在宇宙诞生之初，宇宙中主要都是氢元素，以及少量的氦元素，而从锂、铍、硼到铁，再到金、铀，都是在宇宙漫长的演化过程中逐渐合成的。天体中的核反应多种多样，原子核质量决定了核反应的反应路径，反应路径上每一个原子核的质量，都像一个岔路口，决定了下一步反应的流向和速度：原子核的质量决定了大质量恒星核心坍缩的进程，以及最终会形成中子星还是黑洞；同时，在爆发过程中会有大量的物质被爆炸抛出到宇宙中，这中间就会发生著名的“快中子俘获”过程，几分钟内，形成从铁到铀的重元素，而原子核会影响对中子的俘获。只有知道了每一种原子核的精确性质，我们才能重现宇宙原子核产生的过程，解释为什么宇宙中各种元素的含量是我们观测到的比例。

蟹状星云。这是一颗超新星爆发后的遗迹。

（维基百科）

立地——服务于国计民生

被加速到接近光速的原子核，不仅能用来解释原子核与宇宙的秘密，也能作为一种“工具”，为各种应用研究提供服务。

重离子治疗癌症

很多人一听到“辐射”二字，就会下意识地觉得很危险，认为辐射对人体有害。高能的辐射会杀死正常细胞，如果换个角度，那是不是可以这种高能辐射杀死癌细胞呢？这就是重离子治疗癌症的原理。

用重离子加速器把诸如碳原子核这样的重离子加速到光速的70%，对准癌细胞“射击”，会把癌细胞内的DNA打断，癌细胞难以修复，就会逐渐凋零了。而有意思的是，高能重离子初期穿过人体组织的时候，几乎不发生相互作用，只有在抵达癌细胞深度时，才会通过“布拉格峰效应”集中释放能量，百分之七八十的能量最后都损失在它的射程末端。这就实现了对癌细胞的定点爆破。

医用重离子加速器的核心系统同步加速器

（中国科学院近代物理研究所）

目前，国内已经有多家医学安装了重离子治疗设备，比如甘肃省的武威重离子医院、浙江省肿瘤医院等等，截至2025年3月，全国获批开展重离子治疗的医院达到12家，武威重离子中心开诊5年来，武威重累计完成了2000多名患者治疗（《人民日报海外版》2025年09月01日第09版）。

模拟辐射环境

虽然我们日常生活中几乎没有什么高能辐射，因为有厚厚的大气层保护。但在高空中，高能辐射数量会大大增加，它们主要是来自宇宙的高能粒子。所以，像飞机、卫星、空间站、导弹等飞到高空甚至是飞出大气层的设备，就不得不考虑被宇宙中的高能粒子击中的可能性。

设备中的芯片被高能粒子击中后，发生单粒子效应，会在芯片中产生一个脉冲电流，这就可能到导致本来是“0”的信号，变成“1”了，进而产生了错误，甚至有可能导致卫星等失去控制。

那芯片在宇宙空间中被高能粒子击中后具体发生了什么，有没有什么有效的办法能屏蔽辐射、修正由此带来的错误呢？那我们就需要做实验。显然，我们不可能跑到太空中做这个实验，于是，在地面上用强流重离子加速器模拟宇宙空间中的辐射环境，就显得至关重要了。

中国天宫空间站

（中国天宫空间站）

原子核加速，启动！

2025年10月28日，强流重离子加速器装置调试成功，自此实现束流全线贯通。全面建成后，强流重离子加速器装置将为探索原子核存在极限、揭示核天体物理过程、推动核能开发和多学科应用提供国际领先的研究平台。人类将能够更深入地探索宇宙的起源和演化，回答“我从哪里来，要到哪里去”的终极问题。

（中国科学院近代物理研究所）