拟解决的关键科学问题和主要研究内容

三、 拟解决的关键科学问题和主要研究内容

在通常的稳定原子核中，质子和中子有对称相处的趋势(同位旋对称)，由此形成β稳定线。远离β稳定线，则是指原子核的中子-质子数之比发生很大变化，或者说同位旋远离对称值。此时系统的单核子束缚能减小（接近连续态），容易发生放射性衰变。理论估计这种放射性的核可以达到约8000个，比传统核物理研究的对象（约300个）要多得多，它们可以在实验室或者天体核过程中大量产生。初期的实验和理论研究表明，在远离稳定线区域，由于量子多体关联和与连续态的耦合，核的基本结构和反应过程可以发生引人注目的变化，如晕结构、集团结构、新幻数、软巨共振、多反应道耦合和多步反应过程等等。这些变化通常是量子化和跳跃式的，往往被少数价核子的特殊关联性质所决定。特别值得注意的是轻核区和新的幻数附近区域（包括超重核区），若干价核子的耦合效应更加突出。这些变化会引发核反应概率反常地增强或减弱，从而改变人们对诸如能量释放和核素变迁过程的传统认识，产生难以估量的新的应用和对天体过程等的新的解释。实验室研究远离稳定线核物理需要首先通过加速器和初级反应产生非稳定核组成的次级束流，所以又称为放射性核束物理（也称非稳定核物理、弱束缚核物理、奇特核物理等等）。目前已经实现的放射性束流装置还只能达到部分非稳定核区域，并且束流强度普遍较弱（比稳定核束小几个数量级）。随着粒子束流技术和探测技术的发展，还会不断观察到新现象和新例证。因此，放射性核束物理还是正在起步的总体上待开发的广阔领域，它的核心问题就是非稳定核的结构和反应特性。

放射性核束物理必然直接影响到人们已经追求了几十年的超重元素的合成、鉴别和应用。 元素是自然界的最基本资源，超重元素的合成关系到一系列重大的基本科学和应用问题。自二十世纪60年代中期理论预言了在Z=114、N=184附近存在超重核素稳定岛以来，欧洲和美国的一些著名实验室一直以巨大的热情进行超重元素合成的探索，不断取得进展。特别是近二十年以来，更是突飞猛进，不但合成了107-112号元素，而且在113-118号元素区域取得重大进展，在物理学、化学乃至整个科学界都产生了巨大的影响。然而就合成机制来说，无论是“冷熔合”还是“热熔合”（或“温熔合”），现有能够使用的弹靶合成的蒸发余核的中子数还缺近10个。因此，要到达超重稳定岛，必须借助更丰中子的弹靶体系和放射性核束物理对结构和反应的认识，寻找新的合成和鉴别机制。

放射性核束物理又必然交叉到核天体物理和核物质性质的研究。天体演化中元素形成的过程以及爆发性天体过程中能量释放与物质演变的过程，往往都是在远离β稳定线的区域发生（rp、rn、超新星爆发等过程）。因此，对于天体过程的研究，离不开放射性核束物理，反过来当然也从天体的观察中检验和推动放射性核束物理。核天体物理又有自身的特点，特别是大量过程的循环关联以及关键变化点的特殊作用等。宇宙中大量存在诸如中子星等特殊核物质形态，它们都是同位旋极端非对称的。利用放射性核束装置，可以在实验室产生各种同位旋非对称系统，研究非对称核物质性质和物态方程，这在学术上和实际应用上都很有意义。少数核子间的相互作用的关联问题，有可能从QCD的基础上得到更清楚和深入的认识，核物理和强子物理的交叉，也正在成为新的热点。

由此提炼出关键科学问题：（1）弱束缚奇特核的表观性质、内在结构和强耦合效应；（2）超重核合成和鉴别的新机制与新技术；（3）关键的天体核过程和同位旋非对称核物质。其中第一个问题是科学基础问题；第二个问题是要在整体提升的基础上冲击超重元素合成的制高

点；第三个问题是放射性核束物理与其他领域的自然交叉，有利于相互促进。

围绕这些科学问题开展的主要研究内容是：“超重元素探索和新核素的合成”；“弱束缚奇特核结构的新形态和强耦合效应”；“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”；“弱束缚核的谱学研究”。

1、超重元素探索和新核素合成

这部分内容主要针对第（2）个科学问题，属于突破性质，进入超重核合成的最前沿。需要以其它几部分研究为基础，同时又通过关键技术和学术的突破来促进其他部分的进展 超重元素和新核素的合成和性质研究，是对当今核物理和核技术的重大挑战，并可能导致大量新材料的诞生。为了合成更重的元素和更偏离稳定线的新核素，除了不断提高束流强度和品质、改进和提高鉴别设备的灵敏度、发展新的鉴别方法之外, 还要寻找具有更大反应截面的反应系统（弹靶组合）或新的反应机制。近年来,我国在超重核研究和新核素合成方面不断取得新成果，目前共合成25种新核素,特别是在超重区陆续合成了105号和107号元素的新同位素。在此基础上未来几年将重点研究以下几个内容：(1)尝试合成117号新元素，争取使我国首次实现新元素合成、为扩展现有元素周期表做出重大贡献；(2)合成若干Z∼110的超重新核素，填补现有超重元素α衰变链中的核素与已知核素之间的关键空白，为研究超重核性质提供重要的实验依据；(3)建立和发展核理论模型，计算超重核形成截面和寿命，指导实验制定最佳的合成方案；(4)利用优化的弹靶组合，系统地研究“冷熔合”和“热熔合”反应的微观机制；(5) 探索结合充气反冲谱仪技术、RFQ冷却聚束技术、激光多步电离技术和磁谱仪技术为一体的新型专用超重核分离鉴别谱仪，以期实现超重元素质量数A和电荷数Z的直接鉴别；(6)研制超重元素快速气相化学分离装置，开展超重元素的化学性质研究。

相对于前几年，在采用新的分离鉴别手段，进入Z>110区，突破超重元素合成，形成新的合成和鉴别机制、新的技术路线方面实现跨越。

2、弱束缚奇特核结构的新形态和强耦合效应

这部分内容主要针对第（1）个科学问题，也与另两个问题密切相关，实验上主要依靠核反应手段。这是属于基础性和学术性的研究内容，重在系统地观察和理解新现象，推动建立新手段和新理论，预言可能的新发展和新应用。

1985年Tanihata等发现11Li核内的中子奇异分布（中子晕核），标志了放射性核束物理的开端。随后又陆续发现了6He、8He、11Be、14Be、19C等中子晕核和8B等质子晕核，对传统核结构理论提出了重大挑战。20年来放射性核束实验技术逐步发展，除晕结构外，还陆续发现了集团自组织、新幻数、非线性多中子关联、连续态耦合等新现象，以及反应截面增大、多反应道耦合、多步过程等新的反应机制和效应。我国比较早地进入了这个研究领域，在理论和实验方面都取得了很大进展，有基础和实力参与这个领域激烈的国际竞争。未来几年主要研究内容：（1）通过目标核的产生、鉴别和总截面、动量分布、弹性散射、破碎反应敲出反应等的测量，研究8He、11-14Be、16C、17-18Ne、 28-29S等核的奇异结构及性质。（2）通过转移反应等研究奇特核的量子态分布，并寻找激发态晕等（ N = 51区域）。（3）研究奇特核反应中的多核子关联、多步过程及连续态耦合等效应。（4）通过转移反应等提取奇特核出射道光学势。（5）通过CSR能区破碎反应等研究非稳定核的基态奇异结构。（6）利用自己发展的