基于HIAF，将开展重离子物理基础研究和重离子束应用研究。在基础研究领域，有望在原子核存在极限和奇特结构、宇宙演化中的核过程、极端环境原子过程等研究领域取得具有重大国际影响的研究成果，显著提升我国的重离子科学创新能力，为人类了解自然奥秘做出中国人应有的贡献。在工程建设过程中，通过与装置制造企业和高新技术企业合作，掌握先进加速器制造领域的核心技术，研发关键设备，带动和提升国内相关企业设计能力、加工制造水平。通过工程建设和后续的科学研究，培养一大批加速器和核物理研究领域的优秀年轻人，为未来核能开发、核安全及核技术应用持续提供理论、方法、技术和人才支撑。

        认识原子核内有效相互作用。原子核是由强相互作用将质子和中子聚合在一起的量子多体系统。目前，对核内长程强相互作用的认识有限，只能假定各种有效相互作用形式，采用不断修正的唯象模型描述原子核的结构和性质。远离稳定线原子核的特点是价核子的束缚能低、连续态的耦合影响大、同位旋效应显著，可能导致核内有效相互作用发生显著变化，凸现某种成分、呈现新的相互作用形式。我们将研究原子核幻数和壳层结构在远离稳定线核区的演化、奇特原子核的晕结构和集团结构、弱束缚核参与的反应机制，确定有效相互作用中三体力、张量力和同位旋相关的成分，探索核内有效相互作用的新形式，发展描述弱束缚核性质的理论。此外，利用极强低能重离子束流，尝试合成新元素、研究超重元素化学性质、探索理论预言的超重核稳定岛。

        探索宇宙中从铁到铀元素的来源。宇宙大爆炸初期只产生了氢、氦和少量的锂，其他元素是在各种天体场所通过核过程生成的。目前，人们已理解了铁以下元素合成的机制和天体场所。天体物理界普遍认为快中子俘获过程应该产生宇宙中约一半的从铁到铋的元素、以及原子量大于209的全部元素。但是，尚不清楚快中子俘获过程发生的天体环境和场所，也不确定核合成的具体路径。美国物理学界将“从铁到铀的元素是如何产生的”列为本世纪待解决的11个重大物理问题之一。我们将产生位于快中子俘获路径上的丰中子核素，系统测量他们的质量和寿命以及相关反应率，利用实验数据模拟重元素的丰度分布，通过比较模拟和观测结果，探索快中子俘获的路径、时间标度、物理环境和天体场所，理解宇宙中从铁到铀重元素的来源。

        粒子辐照应用研究。除了解决以上重大基础前沿科学问题之外，重离子在涉及经济社会发展和国家安全诸多领域的应用也极为广泛，特别是近年来随着我国航天科技和核能开发等的快速发展，迫切需要利用重离子束解决与粒子辐射相关的关键技术难题。依托HIAF将建造空间离子辐射环境地基模拟平台，为抗辐照元器件检测和国产化、宇航员空间活动期间的辐射损伤评价和预测预警提供技术支撑；建造高效核能装置结构材料评价与筛选平台，形成具有自主知识产权的核能材料快速评价与筛选的方法和标准

        此外，HIAF装置通过后期升级，还可开展以下研究：

        研究高能量密度物质性质。高能量密度物质是处于能量密度超过1011 J/m3或压强超过100 GPa极端状态的物质。高能量密度物质广泛地存在于恒星和大质量行星内部；在星体内部的高能量密度物质中，往往会自发地发生轻核聚变并释放出大量的能量，这是宇宙中能量的主要来源。人类产生的高能量密度物质仅短暂地存在于核爆和惯性约束热核聚变点火瞬间。在实验室制备高能量密度物质并研究其性质，对于理解宇宙物质构成、认知极端高温高压条件下物质状态和演化规律、制备新物态、探索和开发清洁聚变能源等具有非常重要的意义。

        研究高电荷态离子与原子、电子和光子的作用。利用重离子加速器能够产生各种元素的高电荷态离子和种类丰富的放射性高电荷态离子，形成了高电荷态原子物理前沿学科。高电荷态原子物理主要研究强库仑场效应，高剥离态原子的能级结构，以及高电荷态离子与光子、电子、原子、分子和材料表面的相互作用。在高电荷态重离子中，内壳层束缚电子经受着极强的平均电场强度。如下图所示，类氢铀离子中1s轨道电子感受到1016V/cm的电场强度，是氢原子中的一百万倍，也远远大于在实验室中利用其他手段产生的极限强场。因此，高电荷态离子提供了研究强场中的量子电动力学效应（Quantum Electrodynamics，QED），灵敏检测相对论效应、电子关联和原子核尺寸效应的理想手段和环境。高速运动离子与原子和分子相互作用时间极短（10-21~10-18秒），为观测亚阿秒时间尺度的碰撞动力学创造了条件。此外，激光谱学技术与放射性核束产生和操纵技术相结合，开辟了利用离子超精细谱学技术研究不稳定原子核性质的新研究领域。

             类氢离子中1s轨道电子感受到的库仑电场强度