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

原子核是由質子和中子(統稱核子)組成的量子多體復雜系統，通過基于核子-核子強作用的整體平均場與局部少體關聯結合而成。除可以長期穩定存在的近300種核素之外，實驗室目前能夠產生的短壽命不穩定原子核(奇特原子核)已達3300個以上。它們大多數是最近30來年各科技強國利用迅速發展的放射性核束裝置產生的，也成為當今和未來幾十年核結構與動力學研究的主要對象。近年來在不穩定核區的主要科學發現包括豐富多彩的暈和集團結構、殼演化和新幻數、新的集體運動模式、與連續態強關聯的開放量子系統特征、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循環大多經過不穩定核區，奇特原子核的研究也具有特殊的戰略需求價值。

三十年多年來，不穩定核物理領域快速發展，其中各分支已有相當數量的綜述文章，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表了奇特原子核物理領域的系統性回顧和展望。該文章內容分為引言、核力與理論模型、殼結構及其在奇特核區的演化、質子和中子滴線區物理、原子核中的集團結構和展望。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域;

(2)在遠離穩定線核區已經發現了一系列原子核奇特結構和動力學機制，展示了受核力支配的開放量子系統的特征及其與連續態的強耦合;

(3)對豐中子不穩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“穩定島”的路徑以及理解宇宙中正反物質不對稱謎題等;

(4)當今國際范圍內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)要實現中-重質量區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，預期在這片區域發現更加迷人和重要的新現象和新應用。

原子核版圖與若干特征結構和過程：自然界存在的穩定和長壽命核(小黑方塊);人工產生并實驗觀察到的不穩定核(藍色區域);理論預言的不穩定核(黃色區域);右側小圖里的綠色橢圓區表示殼模型預言的超重核“穩定島”;粗箭頭表示元素生成的主要核天體過程;各區域發現的核結構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為質子，n為中子，s-process為慢中子俘獲過程，rp-process為快質子俘獲過程，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域。區域1處于穩定線和滴線之間的過渡區，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率產生從而開展比較深入的實驗研究。這個區域的核結構可能仍具有平均場殼模型描述的特征，但少數核子的局部關聯會逐步增強，因此需要核力和核結構模型的系統性改進。此區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?？紤]到這些問題對高精度測量的要求，能夠提供高品質束流的在線同位素分離(ISOL)型裝置具有優越性。區域2處于極端遠離穩定線的中子滴線區，這里的原子核壽命極短，主要只能依靠在束 (in-flight)產生、分離和測量技術來研究。這里的原子核可能呈現全新的結構自由度，如厚中子皮或中子對增強的表面集團結構等。針對開放量子系統的新的核結構理論也需要創建和發展。

北京大學實驗核物理團隊近年來針對奇特核結構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、殼演化、集團結構、奇異衰變等，在《自然》(Nature)系列、《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett. )等雜志發表了一批重要成果，發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)的核結構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，現任美國德克薩斯農工大學助理教授)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、國家重點研發計劃、教育部、核物理與核技術國家重點實驗室等的支持。