原子核物理评论(原子核物理评论是sci吗)怎么可以错过

编者按1993 年，国家自然科学基金委员会设立理论物理专款，并成立学术领导小组。设立专款的目的是：促进我国理论物理学研究的发展，培养理论物理优秀

 

编者按1993 年，国家自然科学基金委员会设立理论物理专款，并成立学术领导小组设立专款的目的是：促进我国理论物理学研究的发展，培养理论物理优秀人才，做出国际先进水平的研究成果，充分发挥理论物理对国民经济建设和科学技术在战略决策上应有的指导和咨询作用。

理论物理专款是基金委在基金主体申请的主要框架下的一种特别设计，是对基础学科理论物理学支持的一种特别补充30 年来，根据理论物理学科的特点、中国经济发展状况和政府经费投入状况，学术领导小组和基金管理者不断地思考、探索和调整有特色的多元化资助模式，起到了促进创新、扶植薄弱、稳定队伍、鼓励交叉、均衡发展、高端引领学科布局、建设创新平台与人才高地、弘扬科学家精神等重要作用。

2023 年，为纪念理论物理专款设立 30 周年，学术领导小组特编写本文集，汇报成绩、总结经验、改进工作、展望未来，以期对从事理论物理研究的科研人员以及科研管理工作者有所帮助。作者简介

许甫荣，北京大学博雅特聘教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，中国-美国理论核物理研究所（CUSTIPEN）执行主任，University of Surrey 客座教授，英国Journal of Physics G编委，Communications in Theoretical Physics编委，曾担任北京大学技术物理系主任、北京大学核物理与核技术国家重点实验室副主任。

研究兴趣：用量子场论研究强相互作用、量子多体问题、原子核结构与动力学

李健国，中国科学院近代物理研究所特别研究助理，2016年本科毕业于中国科学技术大学，2021年于北京大学获粒子物理与原子核物理专业博士学位主要研究兴趣为第一性原理计算研究滴线区原子核奇特结构，发表文章60余篇，并担任Phys. Rev. C，Nucl. Sci. and Tech.等期刊审稿人。

导读从发现物质天然放射性，建立原子有核模型，到相继发现质子、中子和原子核自发裂变等里程碑事件以来，核物理已走过 120 多年的历史20 世纪 30 年代发明的带电粒子加速器为人们在实验室探索原子核结构提供了广泛的实验手段，同时期，提出了第一个定量描述原子核的唯象液滴模型。

这些早期研究为核物理开启了往后百年的辉煌历史当今核物理依然生机勃勃，是物质世界的一个重要层次小到物质最微处，大到宇宙恒星演变，核物理无不发挥着重要作用本文概述了当前核物理发展现状以及未来发展趋势与展望一、核物理领域总体现状

自核科学诞生到 20 世纪 80 年代初，人们研究的原子核（核素）只有几百个（其中稳定核不到 300 个），这些原子核具有较大的结合能，称为深束缚原子核自 1985 年美国伯克利国家实验室合成放射性核素开始，放射性核束物理这一新领域被开辟出来，并迅速成为国际核物理学科前沿。

随后人们研究的核素数目迅速扩大，目前实验上已合成的核素达 3000 多个，理论预言的核素为 8000～10000 个，如图 1 所示随着原子核不断远离稳定线，原子核最外层核子的分离能逐渐减小，直至等于或小于零，即原子核滴线。

滴线区原子核，外层核子处于弱束缚或不束缚状态，称为开放量子体系

图 1、 核素图，不同能量尺度下的原子核模型及核物理热点研究方向（核素图由中国科学院近代物理研究所颜鑫亮提供）随着放射性核束实验的不断开展，人类对原子核的认识向更广泛的区域扩展，在滴线区原子核中发现了大量新现象与新效应，如晕核、新幻数的产生与传统幻数的消失、软巨共振等新的集体运动模式、新的衰变模式、同位旋对称性破缺、核反应中的多步过程和强耦合效应等奇特现象，这对传统核模型的普适性提出挑战，但也给理论核物理研究带来新机会。

不稳定原子核在宇宙核素合成过程和核物质状态方程等方面的研究中发挥着重要作用合成超重元素、登上“超重稳定岛”是人类半个世纪以来的梦想，多核子转移反应有可能提供进入“超重稳定岛”的新途径以俄、德为代表的一些国家的著名实验室一直致力于超重元素的合成与研究，已经合成到 118 号超重元素。

我国兰州重离子加速器国家实验室在超重核素合成方面也取得了令人瞩目的发展，已在国际占有一席之地，进入超重核素合成先进行列在重要科学和技术目标的牵引下，近些年各国都投入大量的人力物力建造核物理大科学装置，聚焦于探索极端条件下的核结构与反应，如美国投资建造的稀有同位素束设施 FRIB、欧洲核子研究中心的放射性核束流装置 ISOLDE、德国的反质子和离子研究装置 FAIR、法国的在线放射性离子产生系统 SPIRAL2 以及日本放射性同位素束流工厂 RIBF 等。

目前我国重离子加速器主要有兰州重离子研究装置 HIRFL 和北京 HI-13HI-13 是一台低能重离子加速器，已运行 20 多年，在核物理基础研究中取得了高自旋、核天体反应等一批重要科研成果兰州重离子加速器具有加速从氢到铀全离子的稳定束和放射性束，取得了以新核素合成、高自旋态、短寿命原子核质量测量、放射性核奇特结构等为代表的有影响力的系列科研成果。

正在建造中的中国强流重离子加速器 HIAF 将是具有国际领先水平的下一代放射性核束装置，具备产生极端远离稳定线核素的能力，为研究极端条件下原子核性质提供重要平台原子核是由质子和中子构成的自束缚体系由于原子核的自束缚特性，它呈现出了非常丰富且奇特的物理现象，如：壳结构、集团结构、形变、核子发射与晕现象等。

核理论研究主要面临两个基本关键问题：核力和量子多体关联1. 核力本质核力是理解核子如何结合成原子核的一个基本问题Hideki Yukawa 在 1935 年提出核子−核子间通过传递玻色子（π 介子）产生相互作用，很好地解释了原子核克服质子之间的库仑排斥束缚在一起的问题，同时也预言了介子的存在。

1947 年 π 介子被发现，1949 年 Yukawa 因此获得诺贝尔物理学奖此后，各种基于玻色子交换的核力模型被发展，用于描述核子间相互作用20 世纪 70～80 年代，描述强相互作用的量子色动力学（QCD）理论被提出并迅速发展。

QCD 描述夸克间的强相互作用，是更基本的底层理论，人们认识到核力是构成核子的夸克间强相互作用的剩余相互作用原则上可以从 QCD 获得核力，但 QCD 在原子核低能量尺度下是非微扰的，从基本 QCD 出发描述核力很困难。

尽管可以从非微扰格点 QCD 探讨核力，但实际计算还存在诸多困难与挑战20 世纪 90 年代，Weinberg 提出手征有效场论（Chiral EFT），并将其应用到低能 QCD 能区，开启了核力研究的新篇章。

手征核力通过手征对称性及其自发破缺与 QCD 联系起来，但可以进行微扰展开，从而使计算更具操作性在手征 EFT 框架中，核子之间的多体力（包括三体力）可以自动出现手征 EFT 核力已成为当今核物理第一性原理计算的高精度核力[1]。

2. 复杂的核量子多体问题原子核是一个横跨少体到多体的复杂量子体系由于原子核的核子数目不够多（A<300），使用统计方法会带来较大的误差量子多体问题呈现出一些很难从还原论角度理解的新现象Phillip Anderson 在“more is different”的论文中也对此进行了讨论。

另外， Weinberg 对理论物理学家忠告“ You can use any degrees of freedom that you like to describe a physical system，but if you choose the wrong ones，you will be sorry”（你可以使用任何你喜欢的自由度来描述一个物理系统，但如果选择了错误的自由度，你将会是遗憾的）。

不同能量层次都有各自对应的自由度，研究问题的自由度不合适，对现象的解释将是非常费劲且不必要的，比如用量子场论去研究大海波浪的形成是不明智的尽管原子核的处理比较困难，但基于现象学的核模型取得了巨大的成功早期提出的液滴模型将原子核比作一个不可压缩的液滴，是一种宏观核模型，可以对原子核质量、裂变等提供较好的描述。

20 世纪 50 年代，两个互补的理论模型被提出，分别是 Mayer 和 Jensen 的原子核壳模型，以及 Bohr、Mottelson 和 Rainwater 的原子核集体模型，大大加深了人们对原子核的认识。

因此，Mayer 和 Jensen 与 Wigner 分享 1963 年诺贝尔物理学奖Bohr、Mottelson 和 Rainwater 获 1975 年诺贝尔物理学奖核壳模型认为核子在所有其他核子产生的平均场中近似独立运动，考虑自旋−轨道耦合后， 成功解释了原子核幻数性质。

集体模型的基础是壳模型，并对壳模型作了重要补充，认为原子核可以发生形变，并产生转动和振动等集体运动，对原子核的振动和转动谱提供了简单而完美的解释随后，基于独立粒子壳模型和集体模型，大量的微观理论方法被人们发展出来，如组态混合壳模型、相互作用玻色子模型、形变壳模型与密度泛函理论等，用于描述原子核并取得成功。

然而，这些方法对原子核性质的描述中都选取唯象核力，无法反映真实核力的性质同时，唯象核力的确定需要引入额外的参数，这导致不同方法之间对于未知原子核的描述存在较大的差异为了深入认识核力性质，并在核力与原子核性质之间建立联系，21 世纪初，人们尝试从真实核力（重现核子−核子散射相移、3H 与 3He 结合能）出发，利用量子多体方法，严格求解原子核多体体系，即所谓的原子核第一性原理计算。

过去 20 年，原子核第一性原理计算研究取得了巨大发展，除了得益于手征有效场论核力的发展，还由于核力重整化方法的发展， 计算能力更强和收敛性更快随着高性能计算资源的不断提升与先进的量子多体方法的不断发展，我们可以期待更精确的第一性原理计算，并对未知原子核性质提供更精确可靠的理论预言。

当前核物理第一性原理计算正朝着中重核及重核区推进二、核物理领域的发展趋势和展望当前核结构、核反应和核天体的挑战性问题主要体现如下● 将质子和中子束缚成稳定核和稀有同位素的核力的本质是什么，核结构和反应中的丰富现象是如何出现的？。

● 随着质子−中子数不平衡和激发能量的增加，单核子、团簇和集体自由度如何共存和演化？● 核素图的滴线位置，原子核存在的极限是什么，在这些极限附近和之外会出现什么特征？● 稳定线的极限在哪里？最重的元素是什么？

● 如何统一核结构和反应？● 宇宙核素起源是什么？相关的化学进化（chemical evolution） 是如何进行的？● 恒星是如何演化的，它们留下了哪些核痕迹？● 中子星和致密物质的结构与本质是什么？

● 如何更好地利用核科学提供的知识和技术进步来造福社会？回答这些问题需要理论和实验协调一致；需要在核结构、反应和核天体方面有一个全面的前瞻性研究计划其核心目标是对原子核的性质及其核衰变和反应中的行为达成预测性的理解；绘制它们存在的界限；揭示宇宙中恒星演化、恒星爆发和核素合成的内在核物理机制；利用原子核的特性来实现对自然界基本对称性的精确测试；应用核科学造福社会。

这些目标高度整合，并且是相互交织在一起的受当前核物理加速器与探测技术的限制，实验上对不稳定原子核的研究主要集中在较轻及靠近稳定线的区域大量的滴线附近原子核，特别是丰中子侧，对目前的实验研究提出了很大的挑战。

随着新一代大科学装置的不断建成与升级，如美国稀有同位素束设施（FRIB）的投入使用以及未来中国强流重离子加速器装置（HIAF）的建成，对于不稳定原子核研究将向更重和更靠近滴线的区域扩展，人们也期待在这些未知的原子核中发现与探索更加丰富的物理现象。

同时，实验上发现的新奇现象也给理论发展提供了更大的机遇，发展高精度的原子核模型对更深入地认识原子核性质很关键1. 高精度手征核力原子核是由质子与中子组成的复杂量子多体体系原子核的结构和反应受核力的控制手征有效场论（EFT）为在 QCD 框架中研究原子核的性质提供了一个等效途径。

目前的手征 EFT 核力的低能常数主要通过拟合核子−核子散射实验数据确定，这是目前大家不满意的一个地方原则上可以利用格点 QCD 计算来确定（至少限制）这些低能常数遗憾的是目前的格点 QCD 计算还存在较大的不确定度，还无法直接从 QCD 计算中确定所有手征核力低能常数。

所以，利用格点 QCD 计算提供手征核力信息是一个很值得努力的方向2. 核素图的滴线位置及滴线区原子核奇特现象由于质子间存在库仑力，所以核素图中丰质子侧原子核先达到滴线目前，丰质子侧滴线位置确定到 Z=93 号元素，然而，中子滴线位置的确定，目前仅到 Z≤10。

滴线区原子核属于开放量子体系，这些滴线区的原子核中存在奇异的衰变模式与结构，例如，纯中子的四中子共振态、18Mg 与 9N 中分别发现的四质子与五质子发射、7H 的四中子发射以及重核 185Bi 的单质子发射等奇特现象。

这些奇特的现象对核子大小的假设、原子核壳层结构等提出了巨大挑战随着新一代大科学装置的不断建成与投入，如美国 FRIB、日本放射性同位素束流工厂（RIBF）以及中国的 HIAF，对极端条件原子核的研究将推向更广的范围，原子核滴线位置的确定也将向更重的元素推进。

滴线原子核粒子发射阈值较低，与外部环境（即共振与连续谱）耦合较强，对于滴线原子核奇特性质的描述也给当前的核物理模型提出了巨大的挑战未来的发展中，深化包含共振与连续谱自由度的高精度理论模型，尤其发展包含共振与连续谱效应的第一性原理方法，是一个优先考虑方向。

建立滴线外原子核奇特结构、衰变与反应之间的联系，帮助我们更深层次地了解开放量子体系原子核性质，也为研究原子、分子、量子点、量子光学器件等量子开放体系提供先知3. 原子核壳结构与形状在整个核素图中如何演变？

近年的研究发现，远离稳定线的原子核会出现质子和中子单粒子态的剧烈重排在这种重排下，一些新的原子核特征也随之出现，包括传统幻数的消失以及新幻数的出现、四极和更高阶的形变、多个形变构型的共存等远离稳定线原子核性质的细致研究对我们全面理解原子核壳结构及形状在整个核素图中的演变非常关键，也对深层次认识原子核性质至关重要[2]。

国内外大科学装置的建成与投入为我们推动原子核壳结构与形状演化的探索提供了新机遇首先，目前的研究发现在丰中子侧原子核中，出现传统的幻数 8、20、28 与 40 等消失，同时也发现 14、16、32 与 34 的新幻数的出现。

原子核其他幻数如 50、82、126 等会消失吗？在更重或极端条件的区域还有其他的新幻数吗？这些基本的核物理问题对人们认识原子核性质很重要其次，原子核中的基态与激发态通常出现集体运动，并且激发态中可能存在不同的形状，对于极端条件下原子核形变的研究一直是一个悬而未决且热点的问题。

另外，四级形变在原子核中普遍存在，但稳定的高阶形变研究依旧非常困难原子核八极形变被认为可以大大增强原子的电偶极矩（EDM），所以相应的核形变精确计算非常关键原子核第一性原理计算在过去的10 年中取得了实质性的进展，并提供了直接将 QCD 支配的核力与核结构中的有序与集体运动联系起来的可能性。

未来的研究中，需要发展先进的理论模型，研究幻数结构性质对原子核性质的影响，并探究整个核素图区域原子核幻数结构演化的微观机制，深入揭示张量力、三体力等对壳结构演化的影响对于原子核形变的研究，发展变形组态、EFT、考虑对称性的第一性原理多体方法以及含时密度泛函和其他超越平均场方法将是重要的研究方向。

4. 如何统一描述核结构和核反应？原子核反应是研究原子核结构的重要实验手段核物理一个长期没有得到解决的问题：如何在同一个理论框架里自洽统一描述原子核结构与反应目前，大多数核反应计算往往不考虑或不自洽考虑核结构细节，这导致核反应计算不能很好包含核结构的影响。

人们已经发展了若干先进的核结构模型，同时对于原子核反应的描述也有相应的核反应模型然而，原子核结构与反应模型往往相对独立比如，核反应计算大多基于唯象光学势，其中势参数通过拟合核反应实验数据确定，这样的计算不能很好地包含核结构对核反应性质的影响。

随着人们对原子核结构与反应性质认识的不断深入，发现原子核结构与反应之间存在紧密的联系因此，发展在统一理论框架内微观而自洽地考虑核结构中单粒子及多粒子与反应道之间的相互耦合，统一描述核结构与核反应，同时获得核结构和核反应信息非常关键。

在未来的一段时间内，核物理的一个新前沿是发展对核结构和动力学反应统一描述的理论模型，尤其是基于原子核第一性原理方法的模型，更深入地研究阈值效应、核子−核子关联、反应道耦合对原子核结构与反应的影响，更深层次地认识原子核结构与反应的联系。

5. 超重核研究：新元素合成与攀登“超重稳定岛”自 150 年前俄国科学家门捷列夫创制元素周期表开始，人们便一直探寻自然界中元素的存在极限目前，实验上合成最重的元素已经达到 118 号 Og，另外，超重 112～118 号元素的发现填满了元素周期表的第七周期，再往更重的区域，即向第八周期的 119 与 120 号元素探索时却遇到了巨大的困难。

另外，合成更丰中子的超重核素，攀登“超重稳定岛”也是核物理学家半个世纪以来的梦想超重元素的合成与一些重大的核物理基本科学问题密切相关， 例如，检验原子核壳层模型、超重元素和长寿命超重原子核存在的电荷与质量极限等基本科学问题[3]。

超重核的研究可分为对超重核结构、衰变与裂变和合成反应机制的研究在超重核结构方面，超重核区的壳层结构、超重岛的位置、超重核的形状等性质是人们重点关注的问题在衰变与裂变方面，深入关注 α 粒子的预形成机制、微观研究裂变势能面和位垒、探索裂变动力学与断点后等裂变过程。

对于超重原子核合成反应机制的研究，直接关系到如何合成新元素以及登上“超重稳定岛”；利用重离子熔合蒸发合成超重核的截面极小，目前的多核子转移反应技术合成新核素尚无法达到超重核区等因此，理论上进一步研究超重核合成反应机制非常关键。

另外，超重原子核的核电荷数大，核外电子运动速度很快，相对论效应明显，可能导致核外电子排布不再遵循已知的元素周期性规律超重核研究不仅涉及核物理，也涉及原子物理、化学等学科或领域，具有重要的科学意义此外，超重稳定岛上的同位素还可能蕴含着巨大的应用价值。

尽管目前国际上已有的大科学装置已经为人们认识和理解原子核的性质、鉴别新核素以及检验和发展现有的理论模型提供了重要实验条件，但是，在合成 Z=119、120 号元素和探索“超重稳定岛”方面仍然要求装置具有非常高的传输效率和非常强的本底抑制能力，以产生更丰中子的稳定束流。

我国惠州的强流重离子加速器（HIAF）计划于 2025 年建成并投入运行，将会是国际上开展超重核研究的最佳先进装置之一6. 激光光谱学技术激光光谱学技术是一个强大的实验工具，以核模型无关的方式同时获取原子核的多种基本属性（自旋、电磁矩、电荷半径等）。

这些可观测量的测量是通过探测原子/离子能级的超精细结构和同位素位移来实现的激光光谱学方法在核物理研究中的应用有着悠久的历史，其起源涉及对自然界中发现的稳定和长寿命放射性同位素的研究20 世纪 70 年代，将激光光谱学设备集成到 RIB 设备中， 开启了所谓的“在线”实验的新时代，允许对长同位素链的核特性进行系统研究。

在线激光光谱学形成时期的一个显著例子是对缺中子的汞同位素的巨大奇偶交错效应和同核异能态退激 γ 射线的能量移动（isomer shift）这种行为为形状共存现象提供了早期的、令人信服的和直观的实验证据，这仍然是当前核结构研究的一个关键主题。

7. 核素起源与恒星演化理解核素的合成，特别是原子序数大于铁的核素以及恒星演化，仍然是核物理学中重要的基本科学问题远离稳定线核性质的研究，与平稳和爆发性天体过程以及核物质状态方程密切相关，同时也涉及当今重要前沿交叉科学问题。

新一代稀有同位素束流设施的不断建成与投入，如美国 FRIB、中国 HIAF 与锦屏地下实验室 JUNA 等，为解决天体物理学中长期存在的核物理问题创造了机会研究恒星爆发中产生的不稳定核的性质和反应，了解极低能量和截面下核反应，以及在实验室中探索极端密度下的核物理，是今后重要的研究热点。

理论研究方面，利用新的实验核结构与反应数据，基于超级计算机，发展先进的核天体物理模型，提供尽可能真实并包含关键核过程的天体核合成环境，模拟复杂的核合成过程，深入理解元素起源，阐明关键核反应过程与核合成的关联，并提供核物理与天文观测之间的必要联系。

发展将反应理论与恒星模型相结合的先进方法，基于极低能量和截面下的重要核反应数据，深入研究恒星核合成过程并揭示恒星演化过程8. 超越标准模型的核物理问题从表征核力的必要动力学和性质，到发现核 β 衰变中宇称对称性的破缺，核结构与物理学基本对称性的联系在历史上一直发挥着重要作用。

原子核的无中微子双 β 衰变交叉了核物理与粒子物理两个领域这个衰变过程违反基本对称性，对描述强、弱和电磁相互作用的标准模型提出了严峻挑战核结构理论计算无中微子双 β 衰变核矩阵元，是实验探寻无中微子双 β 衰变候选核时必不可少的关键第一步。

无中微子双 β 衰变和核电偶极矩将证明存在超越标准模型的新物理这些问题的测量与解释严重依赖于相关核矩阵元的精确计算9. 高性能计算及量子计算高性能计算已经进入百万兆级时代计算对于核科学的所有领域都是必不可少的，它能够为实验和理论核物理、加速器操作和天体物理观测提供最先进的计算、模拟和分析。

高性能计算被认为是 “核物理领域的第三条腿”，将为前沿重大问题研究打开一扇窗户随着新兴架构不断增长的计算能力，加上应用数学、软件和数据以及核物理本身的同步进步，加速了科学发现，改变了核科学领域这些未来的先进计算有望在我们对核现象的理解方面取得前所未有的进展。

人工智能和机器学习正被用于揭示数据中的物理问题量子计算具有量子位（qubit）的大信息容量及其固有的量子力学性质，有可能加速解决我们对核量子体系及其动力学过程的全方位理解10. 与其他学科的交叉对强关联费米体系的定量和定性理解是核物理的核心，这个问题也是量子化学、超冷原子气体和凝聚态物质中普遍存在且非常关注的问题。

核理论一直处于学科领域的前沿，并继续受益于物理学其他领域的发展原子核理论也受益于量子信息科学的进步，发展量子多体问题的量子算法可能会导致量子计算领域的急剧发展，而对原子核中纠缠度的研究可能会为解决量子计算问题提供新见解和新方法。

另外，开放原子核体系具有原子、分子、量子点、量子光学器件等体系中类似的特征开放量子系统为量子力学的基本问题提供了许多重要的见解，这些问题涉及不可逆性和衰变、波函数坍缩的测量以及量子系统动力学中纠缠的作用。

核物理一直处于物质科学的最前沿，对人类生存和国家安全与发展有着重要意义，是衡量国家综合国力的一个重要标志在基础研究方面，核物理大科学装置与探测技术的发展，以及先进理论方法的提出，极大地拓展了人类探索微观世界的范围和深度。

在应用方面，核物理发展对能源、医疗、环境、交叉领域以及国家安全等领域的发展具有重要的推动作用，可以说核物理及其应用已经深入到科学及人类社会的每个角落，还将继续发挥重要作用致谢北京大学核理论研究生团队成员：袁琪、许志成、程泽华、范思钦、金少亮、胡荣哲、徐鑫宇、侯佳豪、张弛。

参考文献[1] Machleidt R, Entem D. Chiral effective field theory and nuclear forces. Phys. Rep., 2011, 503: 1.

[2] Otsuka T, Gade A, Sorlin O, et al. Evolution of shell structure in exotic nuclei. Rev. Mod. Phys., 2020, 92: 015002.

[3] 周善贵. 超重原子核与新元素研究. 原子核物理评论, 2017, 34(3): 318-331.本文经授权转载自“理论物理专款”微信公众号。