立项依据与研究现状

一、 立项依据

原子核是物质结构的一个微观层次，是典型的量子多体复杂体系。原子核中包含了丰富的内秉自由度与最多种类的基本相互作用，储存着宇宙间绝大部分可释放的能量。近百年来，核物理处于物质科学的前沿，对人类的生存发展和国家的地位与安全发挥了重大影响，成为衡量综合国力的一项重要标志。在自身发展的同时，还为其它许多学科提供了重要的理论基础和研究手段。进入21世纪，核能和核安全在国家核心利益中的地位愈加显著。在基础研究方面，以兴建若干大科学工程为标志，国际上核科学正在继续蓬勃发展并面临重大的突破，必将继续对各国的国防、能源、交叉学科等的发展起重要的推动作用。面对今天极具挑战的国际环境，中国理应在这种大科学领域中有所作为，积极参与国际竞争，以提高国家和民族的地位，为核科技的未来发展提供亟需的人才和高科技储备。

放射性核束物理是近20年发展起来的核物理新领域，它研究的对象是在新型大科学装置上已经或即将产生的数千个弱束缚（weakly-bound）的非稳定（unstable）核素,而过去近百年只研究了几百个深束缚的在稳定区附近的核素。在初期的研究中，已经发现了奇特核的晕结构、集团自组织、新幻数、多核子关联、连续态耦合、同位旋相变等量子多体的新现象，并观察到反常截面增大、多反应道耦合、集团破裂和多步转移等新的反应机制和效应。放射性核束物理研究是对广阔的核科学未知领域的探索，正在极大地改变人们对原子核的传统认识。由于有激动人心的科学目标牵引，国际上若干大型装置正在升级或新建，放射性核束物理在国际国内都还将有相当长的活跃期。

与此同时，天体物理和大尺度核物质状态的许多重要问题，如宇宙能量变迁和元素的来源，中子星的结构和冷却，超新星的爆发等，都涉及到基本的核物理问题，尤其是弱束缚核的结构、反应和衰变。放射性核束物理涉及众多新的核样本和核数据，将在超重核合成、新型核材料、新型核能装置等方面产生目前还难以估量的重大影响。

核物理是典型的大科学，在全球范围开放合作竞争。在这种研究中，实验装置的建设通常都需要自主研发，因此对于工业技术的带动和实验人才综合能力的培养特别有利，但同时也有出人才和出成果的周期比较长，需要比较大的公共资源投入的特点。

国际上核物理发展有强子物理、放射性核束物理、高温高密核物质、核天体物理、原子核中的基本相互作用与对称性等主流前沿领域。我国基于长远学术发展、过去二十年国家大科学工程的建设、国内实验工作和队伍的基础、以及与能源和国家安全的密切关联等，选择了放射性核束物理和核天体物理作为优先发展领域。上世纪九十年代，在兰州重离子加速器国家实验室和北京串列静电加速器国家实验室建成了RIBLL和GIRAFFE放射性束流线，开展了一系列重要的物理研究。目前兰州的大科学工程CSR已经成功出束，正在逐步投入使用；北京的科学工程BRIF进展顺利，将为放射性核束物理和核天体物理研究提供前所未有的基础条件和机遇。前一轮973项目在我国核物理处于低潮的时候根据国家需要启动，在学术成果和实验手段等方面取得重大进展，并建立了广泛的国际合作，尤其是强有力地集成了全国范围的优势队伍，理论与实验结合跨入了国际主流竞争的门槛，为未来的发展和发挥新的科学工程的作用打下了很好的基础。未来5年，将在新的大型装置基础上，在超重元素探索和新核素合成 ；弱束缚奇特核的新结构形态和强耦合效应；平稳和爆发性天体核过程；同位旋相关的核物质性质和状态方程；弱束缚核的谱学等方面开展攻关和取得突破，整体上

进入国际主流竞争的先进行列。

二、 国内外研究现状和发展趋势

放射性束物理研究是近二十年来发展起来的核物理前沿领域[1-7]，初期主要由法国GANIL-LISE，日本RIKEN-RIPS，德国 GSI-FRS、美国MSU-A1200、俄罗斯Dubna-Acculinna等放射性束流线作出了大部分的重要成果。由于有激动人心的物理目标引导，目前国际上正在新建或升级若干大型放射性核束装置，如日本理化所的RIBF-BigRIPS、德国GSI-Super-FRS，法国GANIL-SPIRAL-II，美国的RIA装置等。在我国，北京串列加速器国家实验室于1994年建成了我国第一条低能放射性束流线（GIRAFFE），开拓了我国核天体物理研究的新领域。兰州重离子加速器国家实验室于1997年建成了具有先进水平和特殊结构的放射性束流线（RIBLL），它的立体角、动量接收度和粒子分辨等指标比国际上的同类装置更好。九五末期，我国政府投资2.935亿元，在兰州HIRFL的基础上兴建重离子冷却储存环（HIRFL-CSR）重大科学工程，目前正在逐步投入运行，放射性核束物理被列为该工程的首要科学目标。与此同时，国家已投资3.9亿元，在北京串列加速器的基础上兴建BRIF重大科学工程，并提出了BRIF-II的进一步升级计划。BRIF装置将使用ISOL方法产生和加速放射性束流，与兰州HIRFL-CSR在能区和技术路线上形成互补。这些装置提供德基础条件是我国核物理研究走向国际前沿难得的机遇，但相应的物理研究需要紧紧跟上和大大加强。

利用放射性核束可以深入研究远离β稳定线核结构和核反应。远离β稳定线核的物理特征是价核子的束缚能低、包括连续态在内的多重耦合影响大、同位旋效应显著等等，可以形成晕和多集团等奇特结构，还会造成幻数和超重区位置改变等。这些奇特结构又会在核反应中形成多反应道耦合、多步过程增强等效应，造成反应概率反常增大或减小等奇特的量子现象。这些都涉及对传统核物理的基本认识的改变，因而成为国内外发展和竞争的主要方面。在初期的研究中，由于受到可以提供的束流条件和探测条件的限制，主要是测量总反应截面、动量分布等宏观量，并借助理论模型了解弱束缚奇特核的物质密度分布等宏观形态。在随后的研究中，由于束流强度和品质的提高以及探测手段的改进，有可能开展各种产物的角分布测量，从而可以利用弹性散射、破碎反应、转移反应等研究奇特核的内部结构和量子态关联，认识规律，发展新的理论。为此，各实验室都在发展新型的探测装置，主要特点是大立体角覆盖，能量、动量、位置分辨率高，多粒子关联测量等。与此同时，典型的衰变谱学测量也在奇特核结构的研究中发挥十分显著的作用。谱学是人们认知物质微观结构并建立各种结构模型的基石。远离稳定线奇特核的衰变有与稳定核不同的特征，通常优先发生β衰变且释放出很大的衰变能，从而容易到达子核的高激发态，这提供了研究不稳定核高激发能级的新途径。实验上，需要采用多粒子（γ，β，α，p，n等）关联技术以跟踪不同激发范围的能态，这也是国际发展的另一潮流。与此同时，反应和衰变结合（比如在束γ）的测量也正在发展，并在确认量子态分布中发挥独特作用。过去几年，特别是上一个973项目执行期间，我国的研究小组利用兰州RIBLL、北京GIRAFFE和日本理化所的RIPS等装置开展了一批有国际影响的实验研究，在晕结构、反应道耦合效应等方面取得重要成果。但应该指出，不论国际还是国内，目前奇特核的实验研究还很初步。随着束流条件和探测设备的改进，今后实验研究会逐步扩展和深入。与实验相结合，过去十来年我国的理论研究取得长足进展，发展了相对论平均场理论、Glauber理论等，预言了一些重要的新结构形态，解释了我们自己实验观察