近日，應《自然綜述·物理》(Nature Reviews Physics)雜志邀請，北京大學物理學院、核物理與核技術國家重點實驗室葉沿林教授和楊曉菲教授聯(lián)合日本理化學研究所仁科加速器科學研究中心Hiroyoshi Sakurai教授和美國橡樹嶺國家實驗室胡柏山博士后研究員，共同發(fā)表了題為“奇特原子核物理”(Physics of exotic nuclei)的綜述文章。

論文截圖

原子核是由質(zhì)子和中子(統(tǒng)稱核子)組成的量子多體復雜系統(tǒng)，通過基于核子-核子強作用的整體平均場與局部少體關聯(lián)結(jié)合而成。除可以長期穩(wěn)定存在的近300種核素之外，實驗室目前能夠產(chǎn)生的短壽命不穩(wěn)定原子核(奇特原子核)已達3300個以上。它們大多數(shù)是最近30來年各科技強國利用迅速發(fā)展的放射性核束裝置產(chǎn)生的，也成為當今和未來幾十年核結(jié)構(gòu)與動力學研究的主要對象。近年來在不穩(wěn)定核區(qū)的主要科學發(fā)現(xiàn)包括豐富多彩的暈和集團結(jié)構(gòu)、殼演化和新幻數(shù)、新的集體運動模式、與連續(xù)態(tài)強關聯(lián)的開放量子系統(tǒng)特征、新的反應和衰變機制等。由于自然界和人工的核能與核物質(zhì)循環(huán)大多經(jīng)過不穩(wěn)定核區(qū)，奇特原子核的研究也具有特殊的戰(zhàn)略需求價值。

三十年多年來，不穩(wěn)定核物理領域快速發(fā)展，其中各分支已有相當數(shù)量的綜述文章，但尚缺少全領域比較完整的綜述。為此，具有廣泛影響的《自然綜述·物理》雜志邀請葉沿林和楊曉菲牽頭撰寫和發(fā)表了奇特原子核物理領域的系統(tǒng)性回顧和展望。該文章內(nèi)容分為引言、核力與理論模型、殼結(jié)構(gòu)及其在奇特核區(qū)的演化、質(zhì)子和中子滴線區(qū)物理、原子核中的集團結(jié)構(gòu)和展望。作者闡述了以下要點：

(1)核物理實驗可研究的核素版圖在過去三十年中快速擴大，預計未來20到30年將能夠探索更加廣闊的未知核素版圖區(qū)域;

(2)在遠離穩(wěn)定線核區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一系列原子核奇特結(jié)構(gòu)和動力學機制，展示了受核力支配的開放量子系統(tǒng)的特征及其與連續(xù)態(tài)的強耦合;

(3)對豐中子不穩(wěn)定核的研究與若干交叉領域重大科學問題緊密相關，包括認識自然界的重元素起源、尋找達到超重核“穩(wěn)定島”的路徑以及理解宇宙中正反物質(zhì)不對稱謎題等;

(4)當今國際范圍內(nèi)一批新型放射性核束裝置正在或即將投入運行使用，這將為探索核素未知版圖提供強大的工具;

(5)要實現(xiàn)中-重質(zhì)量區(qū)更豐中子核素的探索，還需要投入更多的實驗和理論研究力量，預期在這片區(qū)域發(fā)現(xiàn)更加迷人和重要的新現(xiàn)象和新應用。

原子核版圖與若干特征結(jié)構(gòu)和過程：自然界存在的穩(wěn)定和長壽命核(小黑方塊);人工產(chǎn)生并實驗觀察到的不穩(wěn)定核(藍色區(qū)域);理論預言的不穩(wěn)定核(黃色區(qū)域);右側(cè)小圖里的綠色橢圓區(qū)表示殼模型預言的超重核“穩(wěn)定島”;粗箭頭表示元素生成的主要核天體過程;各區(qū)域發(fā)現(xiàn)的核結(jié)構(gòu)特征用相應的小圖展示;兩條紅色帶子是對未來的展望(見下文表述)。圖中p為質(zhì)子，n為中子，s-process為慢中子俘獲過程，rp-process為快質(zhì)子俘獲過程，而r-process為快中子俘獲過程。

上圖中，紅色帶子主要表示對未來的展望。從實驗探測和物理特征的角度，對中-重質(zhì)量豐中子核的研究大體可以劃分為紅色帶子表示的兩個區(qū)域。區(qū)域1處于穩(wěn)定線和滴線之間的過渡區(qū)，這里的原子核一般還有毫秒以上的壽命，因此在放射性束裝置上還能以較大的數(shù)率產(chǎn)生從而開展比較深入的實驗研究。這個區(qū)域的核結(jié)構(gòu)可能仍具有平均場殼模型描述的特征，但少數(shù)核子的局部關聯(lián)會逐步增強，因此需要核力和核結(jié)構(gòu)模型的系統(tǒng)性改進。此區(qū)域核素的研究尤其對上述要點(3)提到的交叉領域重大科學問題的解決具有關鍵作用。考慮到這些問題對高精度測量的要求，能夠提供高品質(zhì)束流的在線同位素分離(ISOL)型裝置具有優(yōu)越性。區(qū)域2處于極端遠離穩(wěn)定線的中子滴線區(qū)，這里的原子核壽命極短，主要只能依靠在束 (in-flight)產(chǎn)生、分離和測量技術來研究。這里的原子核可能呈現(xiàn)全新的結(jié)構(gòu)自由度，如厚中子皮或中子對增強的表面集團結(jié)構(gòu)等。針對開放量子系統(tǒng)的新的核結(jié)構(gòu)理論也需要創(chuàng)建和發(fā)展。

北京大學實驗核物理團隊近年來針對奇特核結(jié)構(gòu)和動力學開展了一系列有重要影響的研究工作，包括新幻數(shù)、殼演化、集團結(jié)構(gòu)、奇異衰變等，在《自然》(Nature)系列、《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett. )等雜志發(fā)表了一批重要成果，發(fā)展了獨具特色實驗探測裝置。這是葉沿林和楊曉菲能夠受邀牽頭撰寫該綜述論文的基礎。北京大學的核理論工作者近年來也在基于從頭計算(ab initio)的核結(jié)構(gòu)模型等方面取得長足進展。

葉沿林、楊曉菲、Hiroyoshi Sakurai和胡柏山(原北京大學物理學院博士生和博士后，現(xiàn)任美國德克薩斯農(nóng)工大學助理教授)是綜述論文共同通訊作者。相關工作得到國家自然科學基金委、國家重點研發(fā)計劃、教育部、核物理與核技術國家重點實驗室等的支持。