原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報》2025年第 7 期 《2024年原子核物理科技熱點回眸 》

核科學(xué)的研究一直以來是物質(zhì)科學(xué)的前沿。《科技導(dǎo)報》邀請中國科學(xué)院院士馬余剛教授簡要回顧了2024年原子核物理科技發(fā)展的前沿與熱點，其中有涉及理論的拓展也有實驗的突破，這些原子核物理學(xué)的發(fā)展不斷地推動我們對物質(zhì)基本構(gòu)成和宇宙演化的深入理解。

在100多年以來的發(fā)展中，原子核物理迎來第二次量子革命。從極微觀的量子新形態(tài)，到極宏觀的核天體演化，再到核醫(yī)療、核聚變等重大應(yīng)用，原子核物理不斷地朝著極端條件發(fā)展。通過研究這些極端狀態(tài)下的量子多體系統(tǒng)，可以讓人們更加深入研究各種基本相互作用，以及量子多體關(guān)聯(lián)。

2024年的核物理研究成果不僅加深了我們對物質(zhì)基本構(gòu)成的理解，還加速了多學(xué)科交叉合作的發(fā)展。隨著大科學(xué)裝置的持續(xù)升級與新技術(shù)的應(yīng)用，核物理學(xué)將在未來為基礎(chǔ)科學(xué)、能源開發(fā)、醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域做出更加深遠(yuǎn)的貢獻(xiàn)。當(dāng)前的進(jìn)展為探索量子力學(xué)和相對論相互作用的深層次問題奠定了基礎(chǔ)，預(yù)示著原子核物理在未來的無限可能。

1 放射性核束物理

在原子核素圖中，當(dāng)前大約有3000多種核素已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，而理論預(yù)言所存在的核素大約10000種，這里面大量的未知領(lǐng)域?qū)⒈恍乱淮丝茖W(xué)裝置所覆蓋與研究，是未來幾十年放射性核束物理的重點研究方向。

1.1 原子核殼層結(jié)構(gòu)與幻數(shù)

約75年前，從瑪麗亞·格佩特–梅耶（Maria Goeppert–Mayer）和漢斯·延森（Hans Jensen）提出原子核殼模型并獲得諾貝爾物理學(xué)獎以來，殼層結(jié)構(gòu)理論一直在原子核結(jié)構(gòu)中起到重要作用。與之相關(guān)的，幻數(shù)是指核殼模型中，核子在這些能級上完全填滿時，原子核的穩(wěn)定性最強(qiáng)。而驗證幻數(shù)是否在極端條件下仍然成立，或者是否有新幻數(shù)的出現(xiàn)，一直以來吸引了大量的理論與實驗研究。

N=82是一個非常典型的中子幻數(shù)，中子數(shù)為82時，原子核的狀態(tài)通常很穩(wěn)定。2024年，中國科學(xué)院近代物理研究所的研究人員利用熔合蒸發(fā)反應(yīng)首次鑒別了160Os和156W核，它們代表了迄今為止最富含質(zhì)子的N=84和N=82核素。160Os的α衰變測量被確定為來自基態(tài)（圖1），子核156W是β+發(fā)射體。根據(jù)新測量的數(shù)據(jù)，能夠發(fā)現(xiàn)從N=84同中子素到Os（

Z

圖1 160Os的衰變綱圖

同時，中國的核物理工作者，使用位于于韋斯屈萊大學(xué)加速器實驗室的同位素分離在線裝置（IGISOL設(shè)施）與彭寧阱質(zhì)譜儀對N=Z附近的基態(tài)95?97Ag核以及96Ag同核異能態(tài)進(jìn)行了高精度質(zhì)量測量，直接測得了95Ag的原子質(zhì)量，并首次識別并測定了96Ag中由β衰變產(chǎn)生的2+和8+態(tài)的原子質(zhì)量（圖2）。基于新測得的質(zhì)量，文章研究了中子幻數(shù)N=50的殼層間隙，結(jié)果表明，該間隙非常穩(wěn)定。

圖2 96Ag的部分能譜與理論結(jié)果

從新的基態(tài)質(zhì)量數(shù)據(jù)中，提取了有效殼層間隙和對能，并將其與基于各種手征有效場論哈密頓量的先進(jìn)第一性原理計算、密度泛函理論、組態(tài)相互作用殼模型的計算等結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有的理論方法，在再現(xiàn)跨越N=50中子殼隙并延伸至質(zhì)子滴線的銀同位素的基態(tài)性質(zhì)方面，都面臨著挑戰(zhàn)。

1.2 超重核與核形變

對于超重原子核，理論上預(yù)言存在著新的幻數(shù)，在該幻數(shù)附近原子核可能相對穩(wěn)定，形成穩(wěn)定島。穩(wěn)定島是周期表中的一個區(qū)域，預(yù)計位于尚未發(fā)現(xiàn)的120號元素周圍，該區(qū)域的元素相較于其他超重元素具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。朝著預(yù)言的“穩(wěn)定島”方向合成超重核（SHN）是當(dāng)前核物理的研究熱點（圖3）。超重核的單粒子結(jié)構(gòu)對于確定“穩(wěn)定島”的位置起著至關(guān)重要的作用。近年來，原子序數(shù)從Z=113到Z=118的超重核相繼被發(fā)現(xiàn)。

圖3 穩(wěn)定島示意

到目前為止合成的最重元素是通過用鈣（48Ca）束流轟擊高原子序數(shù)錒系靶來實現(xiàn)的。這種同位素非常適合這類實驗，因為在它的核構(gòu)型中，中子和質(zhì)子的數(shù)量都是“幻數(shù)”。然而，這種方法無法產(chǎn)生超過Og（質(zhì)子數(shù)Z=118）的元素。加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）的一個團(tuán)隊使用50Ca束合成了一種超重元素290Lv（Z=116）。該同位素的生成并不需要彈核是雙幻數(shù)核的限制，這為合成超過118號元素開辟了新途徑。

另一方面，新的核科學(xué)裝置的運用也為這一目標(biāo)的實現(xiàn)提供了重要幫助。密歇根州立大學(xué)稀有同位素束流設(shè)施（FRIB）的研究人員已經(jīng)在重質(zhì)量區(qū)合成5種前所未見的稀有同位素（圖4），它們都包含高數(shù)量的中子。

圖4 新發(fā)現(xiàn)的5種富中子同位素

但由于超重核的產(chǎn)生截面很小，到目前為止，人們只知道主要的衰變模式、壽命等基本性質(zhì)，而無法在實驗中直接獲得超重核的單粒子結(jié)構(gòu)。幸運的是，由于變形效應(yīng)，在Z=100和N=152處變形殼層間隙附近的原子核中，決定“穩(wěn)定島”位置的單粒子軌道接近費米面。因此，對該區(qū)域原子核的光譜實驗可以為超重核單粒子結(jié)構(gòu)提供重要信息。

實驗上，人們已經(jīng)利用束流、同核異能素和衰變光譜測到了253Fm、251Md、252,254No、255Lr和254,256Rf等超重核的轉(zhuǎn)動帶。而理論上，通過在三維空間的協(xié)變密度泛函理論和殼模型方法，研究了全變形空間中超重核的旋轉(zhuǎn)特性，以微觀和自洽的方式處理了配對關(guān)聯(lián)、變形和轉(zhuǎn)動慣量。無需任何可調(diào)參數(shù)，即可很好地再現(xiàn)超鐨核252,254No和254,256Rf中觀測到的旋轉(zhuǎn)帶的運動學(xué)和動態(tài)轉(zhuǎn)動慣量。該研究首次發(fā)現(xiàn)，八極變形的出現(xiàn)應(yīng)該是252No和254No中觀察到的顯著不同轉(zhuǎn)動行為的原因（圖5）。該研究結(jié)果為長期存在的No同位素轉(zhuǎn)動行為之謎提供了微觀解決方案。

圖5 計算的252,254No的八級形變與轉(zhuǎn)動能譜

形狀是原子核最基本的性質(zhì)之一，原子核通常具有球形，但在非滿殼層的原子核中或出現(xiàn)形變。絕大多數(shù)的形變核都是以軸對稱的四極形變（橢球形）為主。而實驗上，原子核手征帶和搖擺帶的分別發(fā)現(xiàn)，為原子核存在三軸形變提供了直接的實驗證據(jù)。

山東大學(xué)、北京大學(xué)等的研究團(tuán)隊在7435Br39中發(fā)現(xiàn)了3個具有πg(shù)9/2?vg9/2組態(tài)的?I=1帶。通過對角分布、線性極化和壽命的測量，確定了躍遷的多極性、類型、混合比和絕對躍遷概率。通過將實驗測量結(jié)果和手征帶、搖擺帶的實驗判據(jù)以及量子化的粒子轉(zhuǎn)子模型計算結(jié)果進(jìn)行對比，第二條和第三條帶被分別指定為暈帶的手征伙伴帶和一聲子搖擺激發(fā)帶（圖6）。這是在核系統(tǒng)中第一次觀測到2種三軸形變的直接實驗證據(jù)在同一組態(tài)下的共存，表明原子核的手征對稱幾何可以魯棒搖擺激發(fā)。

圖6 原子核74Br39的能譜與躍遷性質(zhì)

對于輕核區(qū)的原子核，這種形變對稱性破缺則可能體現(xiàn)為集團(tuán)結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致闖入態(tài)等奇特現(xiàn)象的出現(xiàn)。特別地，南方科技大學(xué)的課題組通過在10Be與氘核非彈性散射中，觀測到了α衰變閾值附近的1?共振態(tài)，同時通過理論研究，發(fā)現(xiàn)該共振態(tài)伴隨著增強(qiáng)的偶極躍遷強(qiáng)度。體現(xiàn)了閾值效應(yīng)與集團(tuán)結(jié)構(gòu)對共振態(tài)的產(chǎn)生尤為重要。

另一方面，具有奇特結(jié)構(gòu)的原子核，其激發(fā)態(tài)也可能伴隨著各種集體運動模式，除了比較熟知的質(zhì)子中子間相對運動形成的巨偶極共振，還有許多其他可能的模式，其中包括環(huán)形偶極共振（toroidal dipole mode，TDR）。環(huán)形偶極共振在50年前就已被預(yù)測，它涉及質(zhì)子和中子沿著形成核內(nèi)環(huán)形體的嵌套環(huán)路振蕩（圖7）。但這種共振至今尚未被明確檢測到。

圖7 環(huán)形偶極共振示意

德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的研究人員使用密度泛函理論，發(fā)展出環(huán)形偶極共振的理論描述。并對電子、質(zhì)子和伽馬射線數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)測，與鎳–58核散射實驗的結(jié)果相匹配。但在宣布確定找到TDR之前，仍需要測量更多的核，尤其是重核。

1.3 原子核衰變

位于極端失衡的原子核滴線區(qū)，各類奇異的衰變也容易發(fā)生。β緩發(fā)的中子發(fā)射（βn）被解釋為發(fā)生在豐中子原子核中的連續(xù)衰變過程。目前，已建立的理論框架都是分2步計算β緩發(fā)的中子發(fā)射。首先，使用微觀模型計算β衰變的強(qiáng)度分布。然后，用統(tǒng)計的Hauser–Feshbach理論和復(fù)合核的隱式假設(shè)，使用選定的光學(xué)勢模型（OMP）計算來估計子核中高于閾值（Sn）的中子透射系數(shù)。直到最近，基于實驗數(shù)據(jù)，潛在的復(fù)合核假設(shè)才再次受到質(zhì)疑：似乎觀察到的中間核激發(fā)態(tài)中子發(fā)射與母核衰變中的狀態(tài)有關(guān)。

中國學(xué)者基于歐洲核子中心（CERN）的同位素質(zhì)量分離器（ISOLDE）衰變實驗終端，研究了51,52,53K的衰變（圖8），旨在理解β緩發(fā)的中子發(fā)射機(jī)制。研究指出，觀測到的非統(tǒng)計中子發(fā)射是通過與具有高中子發(fā)射概率的近門態(tài)耦合進(jìn)行的。“復(fù)合核”衰變的出現(xiàn)是更高能量處的多重態(tài)小貢獻(xiàn)的累計導(dǎo)致的。

圖8 原子核53K有關(guān)β緩發(fā)的中子發(fā)射的單粒子能級示意（a）與Iβn能量分布（b）

同時，在輕核區(qū)，最富中子的鈹同位素16Be的奇特結(jié)構(gòu)和衰變模式也通過17B的質(zhì)子敲出反應(yīng)進(jìn)行了研究。首次觀察到2個閾值之上相對狹窄的共振態(tài)，并且2個態(tài)均觀察到直接的雙中子發(fā)射衰變。通過與理論計算的核子關(guān)聯(lián)對比表明（圖9），該衰變過程是一個真正的三體過程。對人們了解極端條件下的核子關(guān)聯(lián)與開放量子體系的衰變性質(zhì)有重要意義。

圖9 原子核16Be基態(tài)（左）與第一激發(fā)態(tài)（右）中的核子–核子關(guān)聯(lián)

另一方面，有關(guān)原子核衰變的探測技術(shù)也在不斷發(fā)展。耶魯大學(xué)的研究團(tuán)隊利用動量守恒原理，研究了放射性原子發(fā)射α粒子的衰變過程。實驗中，他們將二氧化硅微球懸浮在高真空中，微球表面植入了少量放射性鉛–212原子。研究人員通過電學(xué)和光學(xué)2種方法同時監(jiān)測微球（圖10）。電學(xué)方法檢測微球?qū)φ袷庪妶龅捻憫?yīng)，從而確定它攜帶的電荷變化，任何電荷變化表明核衰變導(dǎo)致了帶電粒子的射出；而光學(xué)方法則通過微球散射的光追蹤其運動，精確重構(gòu)微球的反沖數(shù)據(jù)實驗結(jié)果顯示，α衰變能夠通過微球上的反沖信號檢測到，微球的質(zhì)量是衰變產(chǎn)物的1012倍。該技術(shù)能夠提高對中微子或暗物質(zhì)等非相互作用粒子衰變產(chǎn)物的探測靈敏度，解決了傳統(tǒng)衰變探測器的局限，尤其適用于檢測那些難以與探測介質(zhì)相互作用的粒子。

圖10 光學(xué)陷阱中檢測到來自微球中的核衰變

而作為尚未被發(fā)現(xiàn)的奇特衰變之一，暗衰變被認(rèn)為能夠解釋中子半衰期之謎，即瓶裝實驗和束流實驗所得的半衰期系統(tǒng)性差異。法國大型離子加速器（GANIL）上，研究人員通過利用高強(qiáng)度束流進(jìn)行實驗，搜索到與中子信號同時發(fā)生的事件，從而得出了暗衰變分支比的上限（95%置信水平）。并通過暗中子衰變模型，將這一結(jié)果轉(zhuǎn)化為暗中子分支比的上限。根據(jù)不同的假設(shè)，這一限制比之前的結(jié)果改善了一個到幾個數(shù)量級。

1.4 質(zhì)量測量

質(zhì)量，是原子核的一種非常基本且重要的性質(zhì)。近些年，通過研究發(fā)現(xiàn)，原子核質(zhì)量的測量也可以成為揭示原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的獨特手段。在2022年5月，密歇根州立大學(xué)的FRIB啟動了其精密測量計劃。研究人員認(rèn)為這種奇異同位素顯示出一種罕見但有趣的特性——具體來說，核外圍被松散軌道的質(zhì)子“暈”所環(huán)繞。這種暈結(jié)構(gòu)在其短暫存在期間顯示出獨特的物理特性。中國科學(xué)院近代物理研究所的研究人員首創(chuàng)了“磁剛度識別等時性質(zhì)譜術(shù)”（圖11），并首次測量了23Si、26P、27S和31Ar的質(zhì)量，并將28S的質(zhì)量精度提高了11倍。

圖11 用于儲存離子的蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)及其配備的飛行時間探測器示意

基于這些新質(zhì)量數(shù)據(jù)，還提取了一種叫做“鏡像能量差”的物理量。這個物理量反映了一對鏡像核（也就是質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)互換的一對原子核）之間核子結(jié)合方式的差異。利用鏡像能量差，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)靠近質(zhì)子滴線的原子核中確實出現(xiàn)了鏡像對稱性破缺。通過該方法，表明31Ar是一個雙質(zhì)子暈核，它最外層的2個質(zhì)子會形成松散的質(zhì)子暈（圖12）。

圖12 鏡像核31Ar（左）和31Al（右）的核子分布想象

（圖片來源：中國科學(xué)院近代物理研究所）

同時，對質(zhì)量數(shù)不同的鄰近原子核的質(zhì)量研究也可以提取出有關(guān)核力等信息。國內(nèi)的研究人員建立了一種基于相對論密度泛函理論的類殼模型方法，同時從微觀和自洽的角度處理中子–中子、質(zhì)子–中子和質(zhì)子–質(zhì)子的配對關(guān)聯(lián)。無需任何特殊參數(shù)，計算結(jié)果很好地重現(xiàn)了觀測的從Ni到Rb的偶–偶和奇–奇N=Z核中雙結(jié)合能差δVpn隨質(zhì)量數(shù)演化趨勢相反的異常現(xiàn)象（圖13），發(fā)現(xiàn)這種異常分叉的機(jī)制是由于奇–奇N=Z核中的質(zhì)子–中子配對關(guān)聯(lián)比偶偶核中的增強(qiáng)。

圖13 理論計算的從Ni到Rb的偶–偶和奇–奇N=Z核中雙結(jié)合能差

δV

pn

同時，鏡像核中的電荷半徑差異也能幫助了解核物質(zhì)狀態(tài)方程與中子星的性質(zhì)。添加或去除原子核中的中子會導(dǎo)致原子核大小的變化，從而引起原子電子能級的微小變化，這種現(xiàn)象稱為同位素位移。可以通過精確測量這些能級的變化來測量同位素的核半徑。

在最近的一項研究中，研究人員使用激光輔助技術(shù)測量了穩(wěn)定硅同位素硅–28、硅–29和硅–30的核半徑。他們還測量了不穩(wěn)定的硅–32核的半徑。研究人員通過比較硅–32核與其鏡像核氬–32（具有18個質(zhì)子和14個中子）的半徑差異，設(shè)定了描述天體物理學(xué)物體（如中子星）物理特性的變量的限制（圖14）。該結(jié)果為核理論的發(fā)展提供了一個重要的基準(zhǔn)。

圖14 鏡像核中的電荷半徑差異能夠幫助了解核物質(zhì)狀態(tài)方程與中子星的性質(zhì)

在理論與實驗結(jié)合方面，理論家們計算原子核性質(zhì)時常常關(guān)注一部分核子（質(zhì)子和中子），并假設(shè)這些粒子具有“有效電荷”，以某種方式補(bǔ)償被忽略的所有核子與模型空間。然而，選擇合適的有效電荷仍具有挑戰(zhàn)性，往往依賴于理論模型，西班牙物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所的研究人員提供了明確的實驗證據(jù)，表明有效電荷依賴于同位旋，即中子與質(zhì)子的比例。該實驗在日本理化研究所完成（圖15）。

圖15 日本理化研究所RIKEN的核科學(xué)裝置（圖片來源：RIKEN）

2 相對論重離子碰撞物理

2.1 能量關(guān)聯(lián)

噴注（jets）是由高能夸克或膠子在碰撞中產(chǎn)生并快速向外擴(kuò)展的粒子束，其不僅是探測高能重離子碰撞中夸克–膠子等離子體特性的有力工具，還可以為揭示強(qiáng)相互作用的基本機(jī)制提供重要信息。能量–能量關(guān)聯(lián)函數(shù)（EECs）是一種用于研究噴注動力學(xué)狀態(tài)和介質(zhì)效應(yīng)的觀測量。

近期，核物理研究人員使用線性玻爾茲曼輸運（LBT）和更現(xiàn)實的耦合LBT（CoLBT）模型，完整計算了高能重離子碰撞中γ噴流的能量關(guān)聯(lián)函數(shù)。發(fā)現(xiàn)重離子碰撞中γ噴注的能量關(guān)聯(lián)函數(shù)是由介質(zhì)響應(yīng)的彈性散射而非大角度誘導(dǎo)膠子輻射增強(qiáng)的。由于噴流部分子的能量損失和橫向動量展寬，在小角度抑制了能量關(guān)聯(lián)函數(shù)。進(jìn)一步表明這些修正對介質(zhì)內(nèi)相互作用的角度尺度很敏感。對此類修正的實驗驗證和測量將揭示重離子碰撞中夸克–膠子等離子體的短距離結(jié)構(gòu)（圖16）。

圖16 從末態(tài)噴注角度譜與能量流中提取夸克–膠子等離子體短程結(jié)構(gòu)示意

另一方面，對噴注中的能量關(guān)聯(lián)的測量也可以幫助確定強(qiáng)耦合常數(shù)。通過緊湊繆子線圈（compact muon solenoid，CMS）探測器實驗收集的√

s

Z

圖17 從實驗測量的E3C/E2C比值提取的α

S

夸克–膠子等離子體這種極端條件下的物質(zhì)狀態(tài)可以近似地看成流體，一般這種流體的粘滯系數(shù)非常低。最近理論物理學(xué)家系統(tǒng)地研究了這種粘滯系數(shù)在廣泛的碰撞能量范圍內(nèi)的變化，發(fā)現(xiàn)隨著凈重子密度的增加，流體的粘滯系數(shù)也會增加（圖18）。這種基于數(shù)據(jù)的分析研究了粘度如何依賴于凈重子密度，結(jié)果與理論計算相比較，為核物質(zhì)相圖研究提供了重要基準(zhǔn)。

圖18 模擬的金–金碰撞中流體性質(zhì)隨重子數(shù)變化

（圖片來源：美國韋恩州立大學(xué)）

而另一項有關(guān)粘滯系數(shù)的研究則通過結(jié)合從LHC鉛–鉛碰撞中獲得的數(shù)據(jù)，與初態(tài)模型以及流體動力學(xué)模型的結(jié)合，進(jìn)行了系統(tǒng)分析。研究人員采用了貝葉斯模型平均和遷移學(xué)習(xí)技術(shù)，從而能夠考慮流體動力學(xué)到強(qiáng)子過渡過程中的理論不確定性。研究表明，剪切粘度對該物理過程有較強(qiáng)的約束，但對符合數(shù)據(jù)的理論模型指標(biāo)并不偏好溫度依賴的剪切粘度，而是傾向于使用常數(shù)值的剪切粘度。

同時，在粒子對撞機(jī)中，科學(xué)家們通過比較精確的實驗測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測之間的微小偏差來尋找新物理的跡象。通常質(zhì)子碰撞產(chǎn)物粒子流是一群高能粒子沿各種方向流動形成的離散團(tuán)簇。然而，新物理現(xiàn)象也可能以低能粒子的球形均勻分布出現(xiàn)，稱為軟未聚類能量模式（SUEP）。目前，歐洲LHC的CMS合作組已經(jīng)進(jìn)行了首次對SUEP的搜索，但沒有發(fā)現(xiàn)任何跡象。

2.2 高能核–核碰撞反應(yīng)機(jī)制與動力學(xué)研究

高能核–核碰撞可以產(chǎn)生物質(zhì)和反物質(zhì)，為輕核和反輕核的合成提供了一個獨特的場所。在這些瞬時碰撞的“小爆炸”中，創(chuàng)造了幾乎無黏度的夸克–膠子等離子體。科學(xué)家們認(rèn)為這種等離子體狀態(tài)存在于大爆炸后的幾微秒內(nèi)的早期宇宙中。這種“小爆炸核合成”現(xiàn)象與物質(zhì)–反物質(zhì)不對稱性的起源、暗物質(zhì)尋找等基礎(chǔ)物理關(guān)系緊密，因而理解其微觀機(jī)制具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

復(fù)旦大學(xué)的研究人員在小爆炸核合成理論方向取得重要進(jìn)展。基于包括強(qiáng)子再散射效應(yīng)的相對論量子多體輸運方法，研究發(fā)現(xiàn)，如圖19所示，在包括由π介子參與的多體反應(yīng)中，高能重離子碰撞中氚的產(chǎn)量在強(qiáng)子化后強(qiáng)烈減少至原來的5/9。這一發(fā)現(xiàn)得到RHIC的STAR合作組（Solenoidal Tracker at RHIC）和LHC的歐洲核子中心國際高能核物理合作組（ALICE合作組）精確測量的支持，揭示了統(tǒng)計強(qiáng)子化模型在理解這些碰撞中氚核產(chǎn)生的不足之處，強(qiáng)調(diào)了強(qiáng)子氣體階段的微觀動力學(xué)在小爆炸核合成中的重要作用。

圖19 高能核–核碰撞的時間演化，從左到右顯示了產(chǎn)生的熱密物質(zhì)經(jīng)歷的不同階段

同時，ALICE合作組在√SNN=5.02 TeV的pp和中心Pb–Pb碰撞中，測量了由高橫向動量（高pT）強(qiáng)子觸發(fā)反沖所給出的帶電粒子噴注的半單舉分布。給出了反沖噴注的分布（圖20）。測量結(jié)果表明存在著明顯的介質(zhì)誘導(dǎo)噴注產(chǎn)額增強(qiáng)，可能是由于夸克–膠子等離子體介質(zhì)對噴注傳播的響應(yīng)所導(dǎo)致的。

圖20 √SNN=5.02 TeV的pp和中心Pb–Pb碰撞中反沖噴注的分布

2.3 反物質(zhì)超核

超核是由核子和超子組成的束縛態(tài)體系，有助于人們理解影響中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的超子–核子（Y–N）相互作用。如圖21所示，最簡單、最輕的超核是（反）超氚核，它可以理解為由一個（反）超子圍繞著一對（反）核子的暈核結(jié)構(gòu)。目前對（反）超氚的性質(zhì)研究包括其質(zhì)量、弱衰變的壽命以及結(jié)合能等。然而，它的自旋以及自旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻缺少相關(guān)實驗證據(jù)和理論研究。

復(fù)旦大學(xué)的研究人員開展了重離子碰撞中（反）超氚核的整體極化效應(yīng)的理論研究，研究提出可以用實驗測量的超氚核的整體極化效應(yīng)提取超氚的自旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及在重離子碰撞中的極化產(chǎn)生機(jī)制。該研究率先從理論上將超核極化效應(yīng)拓展至超核系統(tǒng)，認(rèn)為重離子碰撞中產(chǎn)生的核子和超子通過自旋相關(guān)的并合機(jī)制形成超核時，超核的極化度將直接依賴于核子和超子的自旋極化度以及超核波函數(shù)的自旋結(jié)構(gòu)。

圖21 超氚核的自旋以及自旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

反物質(zhì)是由反粒子組成的物質(zhì)。當(dāng)正物質(zhì)與反物質(zhì)相遇時，它們會發(fā)生湮滅，轉(zhuǎn)化為純能量。這一特性不僅在理論物理中具有深遠(yuǎn)意義，也為醫(yī)學(xué)中的正電子發(fā)射斷層掃描（PET）和未來的能源開發(fā)提供了潛在應(yīng)用。然而，宇宙中幾乎完全由正物質(zhì)組成，而反物質(zhì)非常稀少的現(xiàn)象，即正反物質(zhì)的不對稱性，依然是現(xiàn)代物理學(xué)的一個未解之謎。由中國科學(xué)院近代物理研究所相對論重離子碰撞團(tuán)隊主導(dǎo)的實驗分析中，他們在分析了約66億次重離子對撞事件后，實驗團(tuán)隊成功識別出約16個反超氫–4核（圖22），這也是迄今為止人類發(fā)現(xiàn)的最重的反物質(zhì)超核。

圖22 反超氫–4核不變質(zhì)量信號

2.4 高能重離子碰撞中的極端電磁場

在高能重離子碰撞的非對心碰撞中，由于核碎片帶有正電荷且接近光速，理論預(yù)測它會在空間中誘導(dǎo)出極強(qiáng)的磁場，如圖23所示。磁場的壽命由碰撞能量、夸克–膠子等離子體產(chǎn)生時間及夸克–膠子等離子體電導(dǎo)率等多種因素決定，因此對磁場壽命的研究也能幫助人們了解夸克–膠子等離子體的電磁性質(zhì)。復(fù)旦大學(xué)研究組在RHIC–STAR國際合作組的高能重離子碰撞實驗中，利用帶電粒子在電磁場中的運動學(xué)性質(zhì)，觀察到了與電磁場效應(yīng)預(yù)期一致的電荷依賴的粒子直接流劈裂。此項研究不僅為量子色動力學(xué)研究領(lǐng)域帶來新的科學(xué)工具，也為未來的實驗物理提供了新的研究方向。

圖23 高能重離子碰撞及其誘發(fā)的超強(qiáng)電磁場示意

3 交叉學(xué)科

3.1 中低能與高能的交叉

復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊與紐約州立大學(xué)石溪分校團(tuán)隊合作，利用高能重離子碰撞實驗，研究了末態(tài)強(qiáng)子的集體流、平均橫向動量漲落及其皮爾遜相關(guān)系數(shù)等3種軟探針觀測量（圖24）。該研究首次在跨能量尺度上揭示了鈾–238原子核基態(tài)的幾何形態(tài)，表明其具有較大的橢球形軸對稱四極形變，并且存在微小的軸對稱破缺三軸形變自由度。該結(jié)果與傳統(tǒng)低能實驗測量和理論研究一致，為原子核結(jié)構(gòu)的成像提供了全新的方法。

圖24 低能測量和高能重離子碰撞研究原子核結(jié)構(gòu)方法示意

同時，高能核反應(yīng)也被用于探測原子核的高階形變。2024年發(fā)表在Physical Review Letters中的研究確定了相對論U+U碰撞中十六極各向異性對橢圓度的非線性響應(yīng)（圖25）。

圖25 U+U碰撞與Au+Au碰撞的非線性響應(yīng)的差別

同時，形狀相變在中低能原子核物理中也是也一個重要的概念，主要用來解釋某些同位素或同中子素鏈在其低能結(jié)構(gòu)（如核子關(guān)聯(lián)與集體運動模式等）及性質(zhì)演化過程中的變化。這一現(xiàn)象與核的對稱性密切相關(guān)，深入了解其規(guī)律將加深我們對原子核基本性質(zhì)的認(rèn)知。利用iEBE–VISHNU耦合模型，北京大學(xué)團(tuán)隊系統(tǒng)地計算了129Xe+129Xe碰撞中的橢圓流與橫動量關(guān)聯(lián)等觀測量，并預(yù)測ρ4,2等6粒子關(guān)聯(lián)對二級形狀相變的敏感性（圖26）。

圖26 ρ4,2等6粒子關(guān)聯(lián)對二級形狀相變的敏感性

3.2 無中微子雙貝塔衰變

作為超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，0νββ的發(fā)現(xiàn)將為中微子具有馬約拉納性質(zhì)以及輕子數(shù)守恒不成立提供明確的實驗證據(jù)。由上海交通大學(xué)主導(dǎo)的PandaX合作組利用PandaX–4T探測器，在中國錦屏地下實驗室開展了對自然氙中134Xe和136Xe的0νββ研究。圖27中給出了134Xe的2νββ和0νββ搜尋能譜擬合。

圖27 134Xe雙中微子雙貝塔衰變和無中微子雙貝塔衰變搜尋能譜擬合，能量區(qū)間為200~1000 keV

另一方面，中微子相干彈性散射與暗物質(zhì)直接探測在歷史上也一直交織在一起。PandaX合作組利用總曝光時間為259 d的數(shù)據(jù)，以2.64的置信度首次觀測到太陽中微子和原子核相干彈性散射的跡象（圖28），表明液氙暗物質(zhì)探測器已經(jīng)到達(dá)了里程碑的靈敏度，也驗證了利用相干彈性散射探測低能中微子這一新方式的可行性。

圖28 PandaX–4T采集的數(shù)據(jù)在能量和信號寬度的兩維分布，粉紅色為擬合的太陽硼–8中微子超出信號

作為另一個重要的搜尋0νββ的大型裝置，低溫地下稀有事件觀測站（CUORE）是一個由988個5 cm×5 cm×5 cm的TeO2晶體組成的探測器陣列，在低于20 mK的條件下運行，主要用于搜索130Te的0νββ。作為低溫?zé)崃坑媽嶒炛幸?guī)模空前的項目，CUORE為研究奇異的穿透性粒子提供了一個有前景的實驗環(huán)境。利用CUORE第一個噸年的探測數(shù)據(jù)，合作組開展了對假設(shè)的分?jǐn)?shù)電荷粒子（FCPs）的搜索。

3.3 超精細(xì)結(jié)構(gòu)

通常情況下，原子核的性質(zhì)不會受到核外電子的影響，但內(nèi)層電子在原子核處可產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場，誘發(fā)不同核態(tài)之間的混合，從而改變原子核的性質(zhì)。這一效應(yīng)被稱為原子核超精細(xì)混合效應(yīng)（nuclear hyperfine mixing）。當(dāng)2個電子態(tài)之間的能量差與原子核能級差匹配，同時角動量也滿足匹配條件時，便可能出現(xiàn)顯著的超精細(xì)混合效應(yīng)。基于這一新機(jī)制，研究預(yù)測在類硼鉛–205離子（鉛–205的77價離子）中，由于2p1/2和2p3/2電子態(tài)之間的能量差（2356 eV）與鉛–205原子核第一激發(fā)態(tài)的能量（2329 eV）接近，將引發(fā)顯著的超精細(xì)混合效應(yīng)（圖29）。

圖29 類硼鉛–205離子中的超精細(xì)混合效應(yīng)

原子核譜學(xué)的超精細(xì)劈裂現(xiàn)象成為探究核結(jié)構(gòu)和檢驗量子電動力學(xué)（QED）的重要手段。華中師范大學(xué)研究團(tuán)隊通過引入光核反應(yīng)理論，嚴(yán)格計算了雙光子交換中的原子核虛激發(fā)過程。取得了與實驗測量一致的結(jié)果（圖30）。這一研究解決了氘與繆氘原子超精細(xì)劈裂測量與QED預(yù)測之間長期存在的不一致性，突顯了核結(jié)構(gòu)效應(yīng)對原子超精細(xì)劈裂譜的重要貢獻(xiàn)，標(biāo)志著在利用精密光譜學(xué)探測核結(jié)構(gòu)方面取得了重要突破。

圖30 雙光子交換中的原子核虛激發(fā)

同時，發(fā)表在Nature上的研究展示了一種對高Z區(qū)中更高階QED效應(yīng)和電子–電子相互作用敏感的實驗。通過使用基于多參考法的多普勒調(diào)諧X射線發(fā)射方法，研究了不同電荷態(tài)的相對論性鈾離子。

另一方面，X射線自由電子激光（XFELs）的出現(xiàn)為探索多激發(fā)態(tài)下的X射線與原子核的相互作用打開了大門。復(fù)旦大學(xué)的研究組展示了一個由相同共振核組成的集合體中X射線光子的發(fā)射如何依賴于系統(tǒng)中的激發(fā)數(shù)量。特別的，在多激發(fā)條件下，X射線量子的檢測是按發(fā)射順序選擇的。該工作提供了一種研究來自協(xié)同共振核的多光子X射線發(fā)射的有效方法，這在理解非線性X射線光學(xué)和原子核的多體物理學(xué)方面具有重要的進(jìn)展。

許多利用精密原子光譜檢驗粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的實驗，以及探索新物理現(xiàn)象的研究，都受到對核性質(zhì)認(rèn)識不足的限制。最近，有研究聚焦于9Be，這一體系為利用彭寧離子阱中對不同電荷態(tài)進(jìn)行高精度光譜對比提供了獨特的機(jī)會，可用于檢驗通常被核結(jié)構(gòu)效應(yīng)掩蓋的理論計算。

3.4 核鐘

任何可靠產(chǎn)生的周期現(xiàn)象——從鐘擺的擺動到單個原子的振動——都可以作為鐘表的基礎(chǔ)。如今，最精確的計時依賴于原子中極窄的電子躍遷，這些躍遷在光學(xué)頻率上共振。利用激光光源從核基態(tài)激發(fā)其共振躍遷——這是控制操作核鐘并過渡到“激光主導(dǎo)”的核鐘研究時代所必需的步驟——在幾十年里始終無法實現(xiàn)。2024年，研究人員實現(xiàn)了用紫外光激發(fā)這一躍遷的長期目標(biāo)。德國計量國家研究所（PTB）和維也納工業(yè)大學(xué)的研究人員，使用自主設(shè)計的激光激發(fā)了釷同分異構(gòu)體229mTh，并以前所未有的精度測量了其躍遷能量和波長，為實現(xiàn)核鐘打開了大門（圖31）。

圖31 釷–229原子核與激發(fā)能譜躍遷示意

同時，來自美國的課題組利用紫外激光直接激發(fā)固態(tài)CaF2宿主材料中的229Th躍遷，并測定了其絕對躍遷頻率。通過將頻率梳的基礎(chǔ)頻率鎖定至聯(lián)合天體物理實驗室（JILA）的87Sr原子鐘，在核能級與電子能級之間建立了頻率鏈接（圖32），從而首次測量了229Th核鐘躍遷與87Sr原子鐘的頻率比。

圖32 229Th原子核的紫外光譜，與87Sr原子鐘的頻率鏈接

進(jìn)一步，日本的研究人員發(fā)現(xiàn)，與其他電荷態(tài)不同，三價釷–229（229Th3+）最適合用于高精度核時鐘，因為其具有封閉的電子殼層結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)激光冷卻、激光誘導(dǎo)熒光檢測和離子態(tài)制備。

3.5 核物質(zhì)狀態(tài)方程與核天體物理

從核心坍縮超新星爆發(fā)到中子星合并，量子多體計算在理解極端天體環(huán)境中物質(zhì)的行為方面起著至關(guān)重要的作用。然而，由于現(xiàn)實核力的復(fù)雜性，高精度的第一性原理計算面臨諸多挑戰(zhàn)，例如蒙特卡洛計算中廣泛存在的符號震蕩問題。華南師范大學(xué)科研團(tuán)隊與合作者，利用最新發(fā)展的波函數(shù)匹配（wavefunction matching）方法，通過微擾論成功繞過了符號震蕩問題，創(chuàng)新性地提出了秩一算符（rank–one operator）方法，有效應(yīng)對了多體算符和高階修正的計算瓶頸。結(jié)果顯示，在低密度條件下，格點計算結(jié)果與傳統(tǒng)的維里展開方法高度一致；而在高密度條件下，格點計算展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，提供了更可靠的理論預(yù)言，彌補(bǔ)了其他近似方法的不足（圖33）。這些格點計算結(jié)果為隨機(jī)相位近似（RPA）及其他理論模型的標(biāo)定提供了高精度數(shù)據(jù)，也為超新星爆發(fā)的三維模擬提供了關(guān)鍵的輸入量。

圖33 靜態(tài)結(jié)構(gòu)因子（a）；動量依賴中子物質(zhì)結(jié)構(gòu)因子（b）

一般認(rèn)為，最重的化學(xué)元素是通過中子星合并或超新星爆發(fā)中的快速中子捕獲過程（r過程）自然生成的。對于鈾以外的元素（超鈾元素）的r過程生產(chǎn)機(jī)制理解尚不充分，且難以通過實驗直接獲得，因此必須通過核合成模型進(jìn)行推測。

最近的數(shù)據(jù)還顯示，一些恒星中某些元素的含量超出了模型的允許范圍。密歇根州立大學(xué)和德國科隆大學(xué)的研究團(tuán)隊通過測量與核合成路徑“i過程”相關(guān)的中子俘獲截面，幫助解決了這些元素豐度問題。

另一方面，輕質(zhì)量核區(qū)也有很多天體關(guān)鍵核反應(yīng)，核天體物理學(xué)及其應(yīng)用領(lǐng)域急需精確的核反應(yīng)數(shù)據(jù)來理解宇宙中的元素合成的重要過程。這些核反應(yīng)發(fā)生的主要場合被認(rèn)為是超新星和雙中子星并合（圖34）。近日，研究人員利用最先進(jìn)的中子探測陣列進(jìn)行了一項覆蓋廣泛能量范圍的高分辨率微分截面研究。同時研究人員也首次實驗確定了通過氧–17與鋰–7進(jìn)行的α轉(zhuǎn)移反應(yīng)，得到的氖–21的α譜因子和部分寬度。這些測量結(jié)果顯著改善了對恒星能量截面的外推，并解決數(shù)據(jù)中長期存在的差異。

圖34 雙中子星并合示意

原子核物理的相關(guān)研究也對人們了解太陽系有著重要幫助，特別是壽命約為百萬年的放射性核素能夠揭示太陽的形成歷史和其誕生時的活躍核合成過程。20世紀(jì)80年代提出的Lorandite實驗（LOREX）旨在通過含Tl的天然紅鉈礦來獲得長時間的太陽中微子平均通量（圖35）。測量得到的半衰期比理論估計更長，這降低了Lorandite實驗中的預(yù)期信噪比，從而對其可行性提出挑戰(zhàn)。這一測量結(jié)果表明，太陽中微子的俘獲截面比先前預(yù)期的要低。

圖35 205Tl離子

3.6 核醫(yī)學(xué)

近年來，離子治療技術(shù)迅速發(fā)展。國內(nèi)最先是復(fù)旦大學(xué)質(zhì)子–重離子醫(yī)院率先引入國外的裝置開展質(zhì)子–重離子癌癥治療工作，通過多年來的應(yīng)用已經(jīng)取得了良好的癌癥治療效果。而對于常規(guī)劑量率的治療，超高劑量率FLASH放射治療是近10年來放射腫瘤學(xué)領(lǐng)域最有前途的創(chuàng)新技術(shù)之一，有望根除耐放射的原發(fā)性腫瘤，改善癌癥患者的治療效果。目前FLASH效應(yīng)已在電子、光子和強(qiáng)子（質(zhì)子和重離子）束中得到證實。另一方面，醫(yī)學(xué)影像學(xué)中的PET對癌癥、阿爾茨海默病等疾病的診斷至關(guān)重要。PET成像面臨的一個主要挑戰(zhàn)是過濾掉因湮滅光子與病人體內(nèi)的電子散射而未能直接到達(dá)探測器的事件（圖36）。這種過濾至關(guān)重要，因為這些事件約占所有探測到的光子對的90%，并導(dǎo)致PET圖像模糊。

圖36 205Tl離子

2014年，科學(xué)家提出，通過仔細(xì)分析來自同一湮滅的2束光子的偏振方向差異，可以抑制模糊事件。但2023年的一項實驗表明，糾纏在一束光子散射后仍然存在。最近，科研工作者將這些研究擴(kuò)展到70°的散射角度，并觀察到首次明確證據(jù)。該理論認(rèn)為，來自糾纏對的光子在特定角度散射的概率，不僅取決于光子的動量和偏振，還與光子之間的糾纏程度有關(guān)。

4 總結(jié)

2024年原子核物理的研究取得了許多顯著的進(jìn)展，涵蓋了從基礎(chǔ)理論到實驗觀察的多個領(lǐng)域。首先，在原子核結(jié)構(gòu)的研究方面，核殼層模型和幻數(shù)的驗證依舊是核心議題，特別是在極端條件下的核子行為和核結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)。在中子虧缺區(qū)域，某些重元素核子表現(xiàn)出異常的穩(wěn)定性，進(jìn)一步推動了對核力和色禁閉后核力機(jī)制的理解。此外，新一代核科學(xué)裝置不斷拓展對滴線區(qū)核素的研究，揭示了未知核素的性質(zhì)。通過高精度的質(zhì)量測量和衰變研究，提供了對核結(jié)構(gòu)和衰變機(jī)制了解的全新視角。

在高能核物理方面2024年的研究介紹了高能核物理的前沿進(jìn)展，重點討論了重離子碰撞實驗中的夸克–膠子等離子體現(xiàn)象，及其對早期宇宙物質(zhì)狀態(tài)的揭示。同時，核天體物理也取得了新進(jìn)展，特別是在超重元素、重核同位素和中子星的研究中，提供了關(guān)于原子核形變、衰變等特性的深入洞察。

此外，隨著核科學(xué)裝置的不斷升級以及新技術(shù)的應(yīng)用，原子核物理在不同領(lǐng)域的潛力被進(jìn)一步發(fā)掘，展示了核物理學(xué)的多學(xué)科交叉與應(yīng)用前景。

本文作者：馬余剛、王思敏

作者簡介：馬余剛，教授，中國科學(xué)院院士，研究方向為原子核物理。王思敏，國家級青年人才，復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所（核科學(xué)與技術(shù)系）青年研究員，研究方向理論核物理。

文章來 源 ：馬余剛, 王思敏. 2024年原子核物理科技熱點回眸[J]. 科技導(dǎo)報, 2025, 43(7): 21-47 .

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