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當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展報告——原子物理

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一、原子物理

A、核結(jié)構(gòu)與核動力理論進(jìn)展

1.從獨(dú)立粒子核殼層模型到原子核集體模型

核物理研究一開始,就面臨著一個重要的問題,這就是核子間相互作用的性質(zhì)。人們注意到,大多數(shù)原子核是穩(wěn)定的,而通過對不穩(wěn)定原子核的γ衰變、β衰變和α衰變的研究發(fā)現(xiàn),原子核的核子之間必然存在著比電磁作用強(qiáng)得多的短程、且具有飽和性的吸引力。此外,大量實(shí)驗(yàn)還證明,質(zhì)子-質(zhì)子、質(zhì)子-中子、中子-中子之間的相互作用,除了電磁力不同外,其它完全相同,這就是核力的電荷無關(guān)性。1935年,湯川秀樹(YukawaHideki 19071981)提出,核子間相互作用是通過交換一種沒有質(zhì)量的介子實(shí)現(xiàn)的。1947年,π介子被發(fā)現(xiàn),其性質(zhì)恰好符合湯川的理論預(yù)言。

介子交換理論認(rèn)為,單個π介子交換產(chǎn)生核子間的長程吸引作用(≥3×10-13cm),雙π介子交換產(chǎn)生飽和中程吸引作用(13×10-13cm),而ρ、ω分子交換產(chǎn)生短程排斥作用(<1×10-13cm),π介子的自旋為零,稱為標(biāo)量介子,ρ、ω介子的自旋為1,稱為矢量介子,它們的靜止質(zhì)量不為零,這確保了核力的短程性,而矢量介子的非標(biāo)量性又保證了核力的自旋相關(guān)性。核力性質(zhì)及核組成成分的研究,為進(jìn)一步揭示原子核的結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件。

在早期的原子核模型中,較有影響的有玻爾的液滴模型、費(fèi)密氣體模型、巴特勒特和埃爾薩斯的獨(dú)立粒子模型以及邁耶和詹森的獨(dú)立粒子核殼層模型。其中最成功的是獨(dú)立粒子核殼層模型。

19481949年間,邁耶(Mayer,MariaGoeppert19061972)通過分析各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),重新確定了一組幻數(shù),即2、820、28、5082。確定這些幻數(shù)的根據(jù)是:原子核是這些幻數(shù)的化學(xué)元素相對豐度較大;幻核的快中子和熱中子的截面特別??;幻核的電四極矩特別小;裂變產(chǎn)物主要是幻核附近的原子核;原子的結(jié)合能在幻核附近發(fā)生突變;幻核相對α衰變特別穩(wěn)定;⑦β衰變所釋放的能量在幻核附近發(fā)生突變。在費(fèi)密的啟發(fā)下,邁耶在平均場中引入強(qiáng)的自旋-軌道耦合力,利用該力引起的能級分裂成功地解釋了全部幻數(shù)的存在。接著,詹森(JensenJohannes Hans Daniel 19071973)也獨(dú)立地得到了相同的結(jié)果。在邁耶與詹森合著的《原子核殼層基本原理》一書中,他們利用核殼層模型成功地解釋了原子核的幻數(shù)、自旋、宇稱、磁矩、β衰變和同質(zhì)異能素島等實(shí)驗(yàn)事實(shí)。由于原子核殼層結(jié)構(gòu)模型所獲得的成功,及其在核物理研究中的重要作用,邁耶和詹森共同獲得1963年諾貝爾物理學(xué)獎。

核殼層模型是在大量的關(guān)于核性質(zhì)、核譜以及核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析的基礎(chǔ)上提出的,它對原子核內(nèi)部核子的運(yùn)動給出了較清晰的物理圖象。這一模型的核心是平均場思想。它認(rèn)為,就像電子在原子中的平均場中運(yùn)動一樣,在原子核內(nèi),每個核子也近似地在其它核子的平均場中做獨(dú)立的運(yùn)動,因此原子核也應(yīng)具有殼層結(jié)構(gòu),通常把這一模型稱為獨(dú)立粒子核殼層模型。

平均場的思想使核殼層模型取得了多方面的成功,但是它也具有不可避免的局限性,因?yàn)楹俗又g的相互作用不可能完全由平均場作用代替。除了平均場以外,核子之間還有剩余相互作用。隨著核物理研究的發(fā)展,在50年代以后,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些新的實(shí)驗(yàn)事實(shí),如大的電四極矩、磁矩、電磁躍遷幾率、核激發(fā)能譜的振動譜、轉(zhuǎn)動譜以及重偶偶核能譜中的能隙等,它們都不能用獨(dú)立粒子的核殼層模型解釋。

1953年,丹麥物理學(xué)家、著名物理學(xué)家N.玻爾之子阿·玻爾(BohrAage Niels1922~)與他的助手莫特森(MottelsonBenRoy 1926~)及雷恩沃特(Rainwater,LeoJames1917~)共同提出了關(guān)于原子核的集體模型。這一模型認(rèn)為,除平均場外,核子間還有剩余的相互作用,剩余作用引起核子之間關(guān)聯(lián),這種關(guān)聯(lián)是對獨(dú)立粒子運(yùn)動的一種補(bǔ)充,其中短程關(guān)聯(lián)引起核子配對。描述這種關(guān)聯(lián)的核子對模型已經(jīng)得到大量的實(shí)驗(yàn)支持。核子間的長程關(guān)聯(lián)將使核變形,并產(chǎn)生集體運(yùn)動,原子核轉(zhuǎn)動和振動能譜就是這種集體運(yùn)動的結(jié)果,而重核的裂變以及重離子的熔合反應(yīng)又是原子核大變形引起的集體運(yùn)動的結(jié)果。原子核的集體模型認(rèn)為,每個核子在核內(nèi)除了相對其它核子運(yùn)動外,原子核的整體還發(fā)生振動與轉(zhuǎn)動,處于不同運(yùn)動狀態(tài)的核,不僅有自己特定的形狀,還具有不同的能量和角動量,這些能量與角動量都是分立的,因而形成能級。正因如此,與只適用于球形核的獨(dú)立粒子殼層模型相比,原子核的集體模型有了很大的發(fā)展。用它可以計算核液滴的各種形狀對應(yīng)的能量和角動量。此外,當(dāng)核由高能級向低能級躍遷時,能量通常還能以γ射線的形式釋放出來,這一特征正與大量處于穩(wěn)定線附近的核行為相符。此外,根據(jù)這一模型,當(dāng)核形狀固定時,轉(zhuǎn)動慣量不變,隨著角動量加大,核形狀變化,轉(zhuǎn)動慣量相應(yīng)改變,導(dǎo)致轉(zhuǎn)動能級變化,因此,這一模型對變形核轉(zhuǎn)動能級的躍遷規(guī)律的研究,已成為研究奇異核的基礎(chǔ)。原子核集體模型解決了獨(dú)立粒子核殼層模型的困難,成功地解決了球形核的振動、變形核的轉(zhuǎn)動和大四極矩等實(shí)驗(yàn)事實(shí),為原子核理論的發(fā)展作出重要的貢獻(xiàn),為此,阿·玻爾、莫特森與雷恩沃特共同獲得了1975年諾貝爾物理學(xué)獎。

2.核結(jié)構(gòu)與核動力學(xué)的新進(jìn)展——IBM理論

發(fā)展核模型的目的,在于更準(zhǔn)確地描述原子核的各種運(yùn)動形態(tài),以期建立一個更為完整的核結(jié)構(gòu)理論。由于人們對于核子間的相互作用性質(zhì)、規(guī)律及機(jī)制并不完全清楚,不可能像經(jīng)典物理那樣,通過核子間的相互作用先建立一個核結(jié)構(gòu)與核動力學(xué)理論,只能依靠所建立的模型,對有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的核素或能區(qū)進(jìn)行理論計算,再與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相比較,根據(jù)比較結(jié)果,調(diào)整模型,再通過模型理論,估算沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的空缺能區(qū),發(fā)展實(shí)驗(yàn)技術(shù),補(bǔ)充空缺數(shù)據(jù),再與理論估算相比較,如此循環(huán)往復(fù),推動核結(jié)構(gòu)理論的進(jìn)展,這是一個艱苦而又漫長的探索過程。截止到70年代初,核結(jié)構(gòu)理論的進(jìn)展大多在傳統(tǒng)的范圍內(nèi)發(fā)展著。傳統(tǒng)核結(jié)構(gòu)理論的特點(diǎn)是:沒有考慮核子的自身結(jié)構(gòu);處理核力多為二體作用,把核內(nèi)核子間的作用,等同于自由核子間的相互作用;認(rèn)為核物質(zhì)是無限的;應(yīng)用的是非相對論的量子力學(xué);研究對象是通常條件(基態(tài)或低激發(fā)態(tài)、低溫、低壓、常密度等)下的自然核素。

70年代中到90年代,核物理的研究跳出了傳統(tǒng)范圍,有了巨大的進(jìn)展。首先是實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展,各種中、高能加速器、重離子加速器相繼投入運(yùn)行;與此相應(yīng),探測技術(shù)的發(fā)展不僅擴(kuò)大了可觀測核現(xiàn)象的范圍,也提高了觀測的精度與分析能力;核數(shù)據(jù)處理技術(shù)由手工向計算機(jī)化的轉(zhuǎn)變,更加速了核理論研究的進(jìn)程。受到粒子物理學(xué)和天體物理學(xué)發(fā)展的影響,核物理理論也開始從傳統(tǒng)的非相對論量子核動力學(xué)(QND)向著相對論量子強(qiáng)子動力學(xué)(QHD)和量子色動力學(xué)(QCD)轉(zhuǎn)變。一個以相對論量子場論、弱電統(tǒng)一理論與量子色動力學(xué)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代核結(jié)構(gòu)理論正在興起。雖然由于粒子物理已成為一門獨(dú)立學(xué)科,核物理已不再是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最前沿,但是核物理的研究卻更進(jìn)入了一個向縱深發(fā)展的嶄新階段。

原子核的集體模型除了平均場外,還計入了剩余相互作用,因而加大了它的預(yù)言能力。然而,核多體問題在數(shù)學(xué)處理上的難度很大,這給實(shí)際研究造成很大的困難。近十幾年來,有人提出了各種更為簡化的核結(jié)構(gòu)模型,其中主要的有液點(diǎn)模型,它的特點(diǎn)是反映了原子核的整體行為和集體運(yùn)動,能較好地說明原子核的整體性,如結(jié)合能公式、裂變、集體振動和轉(zhuǎn)動等。除了液點(diǎn)模型外,還有互作用的玻色子模型(IBM),這一模型也是企圖用簡化方法研究核結(jié)構(gòu)。目前,由于人們除了對核子間的核力作用認(rèn)識不清以外,又由于原子核是由多個核子統(tǒng)成的多體系統(tǒng),考慮到每個核子的3維坐標(biāo)自由度、自旋與同位族自由度,運(yùn)動方程已無法求解,加上多體間相互作用就更難上加難。過去的獨(dú)立核殼層模型強(qiáng)調(diào)了獨(dú)立粒子的運(yùn)動特性,而原子核集體模型又強(qiáng)調(diào)了核的整體運(yùn)動,這兩方面的理論沒能做到很好的結(jié)合。盡管核子的多體行為復(fù)雜,無法從理論計算入手,實(shí)驗(yàn)觀察卻發(fā)現(xiàn),原子核這樣一個復(fù)雜的多費(fèi)密子系統(tǒng),卻表現(xiàn)出清晰的規(guī)律性與簡單性。這一點(diǎn)啟發(fā)人們,能否先凍結(jié)一些自由度,研究核的運(yùn)動與動力學(xué)規(guī)律,從簡單性入手研究核,這就是互作用玻色子模型的出發(fā)點(diǎn)。

1968年,費(fèi)什巴赫(Feshbach)與他的學(xué)生拉什羅(F.lachllo)在研究雙滿殼輕核時,把粒子-空穴看成為一個玻色子,提出了相互作用玻色子概念。1974年,拉什羅把這一概念用于研究中、重偶偶核,他與阿里默(A.Arima)合作,提出了互作用玻色子模型。這一模型認(rèn)為,偶偶核包括雙滿殼的核實(shí)部分與雙滿殼外的偶數(shù)個價核子部分。若先把核實(shí)的自由度凍結(jié),把價核子配成角動量為02的核子對,即可把費(fèi)密子對處理為玻色子,用玻色子間的相互作用描述偶偶核,可以使問題大大簡化。他們的這一模型在解釋中、重原子核的低能激發(fā)態(tài)上取得了很大的成功?;プ饔貌I幽P透鼮槌晒χ幨牵A(yù)言了原子核在超空間中的對稱性。它指出核轉(zhuǎn)動、核振動等集體運(yùn)動行為是核動力學(xué)對稱性的反映。由于對核動力學(xué)對稱性的揭示,這一模型雖然比較抽象,卻更為深刻也更為本質(zhì)。在過去,提到對稱性,往往被認(rèn)為是粒子物理學(xué)的研究課題。其實(shí),核物理也是對稱性極為豐富的研究領(lǐng)域。最早注意到核對稱性的是匈牙利裔美國物理學(xué)家、狄喇克的妻兄維格納(Wigner,EugenePaul1902~)。維格納畢業(yè)于柏林大學(xué)化學(xué)系,1925年獲得博士學(xué)位,1930年與諾伊曼(Neumann,Johnvon19031957)一起被邀請到美國,擔(dān)任普林斯頓大學(xué)數(shù)學(xué)物理教授。1936年,兩人共同創(chuàng)立中子吸收理論,為核能事業(yè)做出重大貢獻(xiàn)。1937年,維格納基于核的自旋、同位旋,引入超多重結(jié)構(gòu),建立了宇稱守恒定律。由于對原子核基本粒子理論的貢獻(xiàn),特別是對對稱性基本原理的貢獻(xiàn),維格納獲得了1963年諾貝爾物理學(xué)獎。繼維格納,對原子核動力學(xué)對稱性進(jìn)行更深入研究的是埃里奧特。1958年,埃里奧特研究了諧振子場的對稱性,建立了玻色子相互作用的SU3)動力學(xué)對稱性理論,這一理論與質(zhì)量數(shù)A1624的核理論有很好的符合,但對于A較大的核,由于自旋-軌道耦合,使這種對稱性遭到破壞,而偏離很大。在1974年拉什羅和阿里默提出的互作用玻色子模型中,將角動量為0的玻色子稱為s玻色子,角動量為2的玻色子稱為d玻色子,s、d玻色子展開一個6維超空間,系統(tǒng)狀態(tài)的任何一種變化,都可以通過6維空間的么正變換實(shí)現(xiàn),這種么正變換構(gòu)成U6)群。原子核的角動量守恒即與空間轉(zhuǎn)動不變性相聯(lián)系,即sd系統(tǒng)具有U6)的對稱性。他們還發(fā)現(xiàn),s、d玻色子系統(tǒng)存在三個群鏈,①U6U5SO5SU3),簡稱U5)極限。②U6SU3SO3),簡稱SU3)極限。③U6SO6SO5SO3),簡稱SO6)極限。在三個群鏈情況下,與s、d玻色子相互作用相關(guān)的哈密頓量均有解析解,原子核具有相應(yīng)群的對稱性。在三種極限情況,能量本征值對角動量都有確定的依賴關(guān)系,動力學(xué)對稱性也依能級次序的表現(xiàn)而不相同??傊?,這一研究成果揭示了原子核結(jié)構(gòu)與動力學(xué)的對稱性,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了很大程度上的一致,IBM理論取得了很大的成功。

B、核內(nèi)非核子自由度的研究

1.π介子自由度

在建立互作用玻色子模型的同時,核結(jié)構(gòu)理論又從核內(nèi)非核子自由度的研究中得到了新的進(jìn)展。以核集體模型為代表的廣義核殼層模型盡管取得了一定的成功,但畢竟還有一定的局限性。首先,這些模型都只是從部分實(shí)驗(yàn)事實(shí)或觀測現(xiàn)象出發(fā),從某個側(cè)面用類比方法反映核子系統(tǒng)的機(jī)制。此外,在核反應(yīng)理論中,所引入的可調(diào)參數(shù)又太多??烧{(diào)參數(shù)越多,說明這個理論離成熟性與完整性越遠(yuǎn)。再加上現(xiàn)有的各種核模型間缺乏統(tǒng)一的內(nèi)在聯(lián)系,它們不是一個包容另一個,而是彼此獨(dú)立,相互間關(guān)聯(lián)甚少。追究起來,存在這些問題的原因是對核多體系統(tǒng)的認(rèn)識有關(guān)。按傳統(tǒng)認(rèn)識,核內(nèi)的核子只是一個無結(jié)構(gòu)的點(diǎn),核僅由這些被當(dāng)作為點(diǎn)的核子組成,即原子核只存在有核子自由度,核子之間的作用單純?yōu)閮牲c(diǎn)間的作用。事實(shí)上,早在30年代,有人就預(yù)言了核內(nèi)存在有非核子的自由度。

1932年,查德威克發(fā)現(xiàn)了原子核內(nèi)除了質(zhì)子外,還有中子以后,很快地,海森伯就提出原子核是由質(zhì)子和中子組成的。然而是什么力把它們緊緊地約束在核中呢?1935年,湯川秀樹發(fā)表了核力的介子場理論,他認(rèn)為π介子是核力的媒介,并參與β衰變,同時提出了核力場方程及核力的勢。根據(jù)這一理論,質(zhì)子和中子通過交換π介子互相轉(zhuǎn)化。1947年,π介子在宇宙射線中被發(fā)現(xiàn)。由于在核力理論中預(yù)言π介子的存在,湯川秀樹獲得了1949年諾貝爾物理學(xué)獎。

隨著粒子物理學(xué)的發(fā)展,人們逐漸發(fā)現(xiàn),在原子核內(nèi),除了傳統(tǒng)的質(zhì)子、中子自由度以外,還有更多的自由度,它們包括:π介子自由度、ρ介子自由度以及各種核子的共振態(tài)、σ粒子自由度、核內(nèi)夸克自由度和核內(nèi)色激發(fā)自由度等,情況遠(yuǎn)比人們對核的傳統(tǒng)認(rèn)識復(fù)雜。對這些自由度的研究極大地豐富了原子核物理學(xué)的基本內(nèi)容。

多年來,人們一直在尋求著核內(nèi)存在π介子的直接或間接的實(shí)驗(yàn)證明。一個主要的困難是得知核內(nèi)存在π介子,需要波長極短的入射粒子束。為避免強(qiáng)相互作用帶來更多的不確定性,人們選用了入射光子的方法。近年來,有兩個有名的實(shí)驗(yàn)給出了核內(nèi)存在π介子自由度的證明。其一是氘核的光分裂實(shí)驗(yàn),人們用兩種方法計算了氘核光分裂γ+D→n+p過程的反應(yīng)截面。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在入射光子能量Er≤50MeV情況下,認(rèn)為核只具有純核子自由度的計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合,偏差只有10%左右;然而當(dāng)Er50MeV時,純核子自由度的計算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏離明顯地加大,只有考慮了π介子自由度以后,才與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。這一實(shí)驗(yàn)不僅證明了核內(nèi)π介子的存在,而且還說明了在通常的低能核物理中,分子的自由度不能表現(xiàn)出來。另一個證明π介子自由度的是利用電子散射對3He形狀因子的研究實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在電子與核的動量轉(zhuǎn)移過程中,越接近核中心區(qū)域,動量交換值越大,核中心區(qū)域是高動量轉(zhuǎn)移區(qū),核的邊緣為低動量轉(zhuǎn)移區(qū),而只有在低動量轉(zhuǎn)移區(qū),純核子自由度理論才與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合,在高動量轉(zhuǎn)移的中心區(qū),必須計入π介子及自由度的影響,才能與實(shí)驗(yàn)符合。這個實(shí)驗(yàn)不僅證明了核內(nèi)π介子自由度的存在,而且進(jìn)一步指出,在原子核的中心區(qū)域,非核子自由度問題的重要性更為突出。

2.夸克自由度

40年代末到50年代初,隨著世界上各大型加速器的投入運(yùn)行,粒子物理逐漸從核物理中分化了出來。本世紀(jì)60年代以后,粒子物理取得了一系列令人矚目的進(jìn)展。例如,在70年代初,格拉肖、薩拉姆和溫伯格將弱、電相互作用統(tǒng)一在SU2×U1)對稱群的規(guī)范理論之中,并從多方面得到了實(shí)驗(yàn)上的直接和間接的證實(shí)。粒子物理的另一個著名成就是夸克模型和量子色動力學(xué)的建立。根據(jù)微觀世界中的對稱性,不僅可以對強(qiáng)子進(jìn)行分類,而且還對強(qiáng)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識提供了有效的途徑。低能強(qiáng)子按SU3)對稱群分類,這些強(qiáng)子的基本構(gòu)件,也是SU3)對稱群的基礎(chǔ)就是夸克,包括u夸克、d夸克和s夸克。為使強(qiáng)子滿足自然界普遍遵守的自旋與統(tǒng)計性關(guān)系,每種夸克還有3種不同的色,色相互作用是強(qiáng)相互作用的起源,而傳遞色相互作用的8個媒介子就稱為膠子。實(shí)質(zhì)上,強(qiáng)相互作用理論即為SU3)色對稱群的規(guī)范理論,稱為量子色動力學(xué)(QCD)。根據(jù)夸克模型,原子核的核子應(yīng)由3個價夸克以及稱為海夸克的虛夸克-反夸克對膠子組成,而傳遞核子相互作用的介子應(yīng)由價夸克、價反夸克和??淇恕⒛z子組成。這種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新觀點(diǎn)啟發(fā)人們思索,核內(nèi)的核子處于核的環(huán)境之中,它們到底與自由核子有什么區(qū)別?核環(huán)境對核子有什么影響?核內(nèi)的夸克和膠子的分布如何?它們都參與什么作用?……這一系列問題都將與核內(nèi)夸克自由度等的非核子自由度有關(guān),這些問題已成為當(dāng)今核物理發(fā)展的關(guān)鍵。

目前還不能嚴(yán)格地用量子色動力學(xué)描述原子核這樣的多夸克系統(tǒng),考慮到可能存在夸克自由度,有人提出了一個更為大膽的簡化核模型。這一模型從夸克和它們之間的相互作用力出發(fā),采用類似傳統(tǒng)的獨(dú)立粒子殼層模型的方法來解釋原子核的各種性質(zhì)。在考慮夸克間相互作用時,這一模型假定存在有對力,而不考慮夸克的禁閉性質(zhì)。根據(jù)這一模型,夸克的色自由度使每個殼層上容許的夸克數(shù)恰好與傳統(tǒng)殼層模型每個殼層上的核子數(shù)相同,這使人們想到,在原子核內(nèi)的夸克存在有自由度,它們可能不像在自由核子中那樣禁閉,那么原子核內(nèi)的夸克究竟有多大的幾率跑出核內(nèi)的核子之外?原子核內(nèi)的夸克自由度能否表現(xiàn)出來?在對這些關(guān)鍵問題的研究中,核物理與粒子物理兩大學(xué)科又重新走到一起,而趨于匯合之中。

3.高能輕子非彈性散射實(shí)驗(yàn)——EMC效應(yīng)

傳統(tǒng)的原子核的質(zhì)子-中子模型在描述低能核現(xiàn)象時都十分成功,這表明,要發(fā)現(xiàn)核內(nèi)的夸克效應(yīng)或其它非核子自由度應(yīng)該到高能核現(xiàn)象中去尋找。此外,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言,原子核是由若干核子、介子組合的集合系統(tǒng),而核子、介子又都是通過膠子相互作用的夸克系統(tǒng),核子在核內(nèi)不停地運(yùn)動,又會由于核子間的重疊形成夸克集團(tuán),這樣一來,核內(nèi)核子的性質(zhì),如大小、質(zhì)量等,一定與自由核子不同,例如會稍微膨脹而變和有效質(zhì)量變小等。此外,禁閉在核內(nèi)核子中的夸克密度分布也會與自由核子的不同。這些都是由于夸克自由度帶來的影響,稱之為夸克效應(yīng)。

尋求核內(nèi)夸克效應(yīng)的最直接和有效的方法就是用探針探測。這種探針就是能量極高的入射粒子。入射粒子的能量越高,它的德市洛意波長越短,分辨核內(nèi)微小尺度的能力越強(qiáng)。此外,最好采用電子和μ子等非強(qiáng)子作探針,以避免強(qiáng)相互作用干擾,因?yàn)橹两駥?qiáng)相互作用的了解不如電磁相互作用那樣清楚。對于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,有人預(yù)計,當(dāng)用能量高達(dá)幾個京電子伏的高能輕子打入核內(nèi)時,它們與核內(nèi)夸克相互作用而散射,通過對散射粒子的能量、動量和散射角分布的測量,探知核內(nèi)夸克的動量分布,即核子的結(jié)構(gòu)函數(shù)。而另一些人則認(rèn)為,原子核只是一個質(zhì)子-中子構(gòu)成的弱束縛體系,對于高達(dá)幾個京電子伏的高能過程,這種弱的束縛不會起什么作用,核的環(huán)境影響不能顯示出來,在自由核子靶上以及在原子核內(nèi)核子靶上,測量這種結(jié)構(gòu)常數(shù)不會顯示什么差異。然而實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,卻大大出乎后一些人的預(yù)料。

1982年,在歐洲粒子物理研究中心,由來自17個國家和地區(qū)的89位高能物理學(xué)家,組成了歐洲μ子實(shí)驗(yàn)合作組(EMC組),進(jìn)行了帶電輕子深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)。他們使用的高能輕子為電子、μ子和中微子,輕子與核子間傳遞的能量高達(dá)幾個到幾十個GeV,這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在《物理通訊》雜志上。實(shí)驗(yàn)得到了鐵原子核結(jié)構(gòu)函數(shù)與氘核結(jié)構(gòu)函數(shù)的比值,發(fā)現(xiàn)這一比值是夸克動量與核子平均動量比值x的函數(shù),當(dāng)x在一定的范圍(布約肯區(qū))內(nèi)時,這個比值為0.050.8,且呈一定規(guī)律隨x變化。這個結(jié)果很重要,因?yàn)槿绻J(rèn)為核內(nèi)的核子仍保持自由核子的性質(zhì),這個比值應(yīng)為1,比值偏離1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,原子核內(nèi)的核子包含了較多的低能夸克。盡管核子在核內(nèi)的束縛很弱,周圍核物質(zhì)的存在依然明顯地影響到束縛在核內(nèi)夸克的動量分布。面對這一實(shí)驗(yàn)事實(shí),人們不得不改變原來的看法,這一結(jié)果由此得名為“EMC效應(yīng)。隨后,EMC效應(yīng)陸續(xù)被美國斯坦福直線加速器、德國的電子同步加速器及世界上其它幾個大加速器的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

EMC效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引起了世界性的轟動,這不是偶然的。它像科學(xué)史上許多其它重要發(fā)現(xiàn)一樣,不是先驗(yàn)的理論,而是實(shí)驗(yàn)事實(shí)強(qiáng)迫人們?nèi)ソ邮芤环N新的觀念,這就是原子核內(nèi)核子的亞結(jié)構(gòu)與一般自由核子的亞結(jié)構(gòu)有明顯的不同。這里值得提起一個反面的例子,如果人們不是被一些先驗(yàn)的理論所束縛,本該更提早十幾年發(fā)現(xiàn)EMC效應(yīng)。在70年代初,在斯坦福直線加速器實(shí)驗(yàn)室(SLAC)就有一個用高能電子測量核子結(jié)構(gòu)函數(shù)的研究組。他們以液氫與液氘為靶,得到了核中質(zhì)子和中子的結(jié)構(gòu)函數(shù)。因?yàn)橛脕硎⒁簹?、液氘的容器是鋼和鋁的,為消除本底的影響,他們又進(jìn)行了容器的空靶測量,這樣就掌握了鋼和鋁靶的結(jié)構(gòu)函數(shù),卻不曾想到與自由核子的結(jié)果相比較。EMC效應(yīng)的結(jié)果發(fā)表以后,他們把十幾年前依然保存完好的數(shù)據(jù)重新計算分析,他們自己戲稱這是做了一次考古學(xué)的研究。其結(jié)果確實(shí)充滿戲劇性,兩次研究一前一后時隔十幾年,對不同的探測粒子、不同能區(qū)做了測量,竟然得出完全一致的結(jié)果。這一事實(shí)不僅再一次令人信服地證實(shí)了EMC效應(yīng)的存在,還使人們冷靜地看到,SLAC小組先于十幾年得到實(shí)驗(yàn)的全部數(shù)據(jù),卻未能成為EMC效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)人,這不能不說明,對于那些已被廣泛接受卻未經(jīng)實(shí)驗(yàn)事實(shí)證實(shí)的先驗(yàn)理論,確有必要重新檢驗(yàn)。1988年,EMC組又在極小的布約肯區(qū)(0.003≤x≤0.2)對不同的核(12C、46Ca73Cu、56Fe119Sn)進(jìn)行了測量。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在0≤x0.1時,結(jié)構(gòu)函數(shù)比值小于1,有明顯的遮蔽現(xiàn)象;而在0.1≤x≤0.2時,結(jié)構(gòu)函數(shù)比值大于或等于1,有較弱的反遮蔽現(xiàn)象,而且遮蔽現(xiàn)象隨不同的核而不同。伯格(E.L.Berger)等人對這一現(xiàn)象做出了解釋。他們先從傳統(tǒng)的核子-介子模型出發(fā),同時考慮了核子的費(fèi)密運(yùn)動修正,認(rèn)為遮蔽現(xiàn)象來源于核子造成的影子,即入射粒子看不到處于影子中的核子。根據(jù)這一解釋,遮蔽現(xiàn)象本應(yīng)該隨著入射高能輕子轉(zhuǎn)移給靶核動量的增大而迅速地減小,以至消失,然而實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象卻與這種估計相反。這表明,EMC效應(yīng)使傳統(tǒng)的核子-介子模型出現(xiàn)了困難,原子核并非簡單的核子的集合,即使引入了核子運(yùn)動的費(fèi)密修正,核內(nèi)的夸克分布也與自由核子不同,這就迫使人們不得不考慮夸克自由度的問題。

根據(jù)量子色動力學(xué),夸克的相互作用性質(zhì)與核力、電磁力及引力性質(zhì)完全相反。在強(qiáng)子內(nèi),夸克間距離很小時,它們幾乎相互沒有作用,行為像無相互作用的自由粒子,然而隨著夸克間距離的加大,禁閉勢壘急劇增高,夸克像是被禁閉在強(qiáng)子的內(nèi)部。EMC效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使人們想到,禁閉在核環(huán)境中核子內(nèi)的夸克自由度可能比自由核子內(nèi)的夸克自由度大,在核環(huán)境中,核子內(nèi)的夸克將有可能以某種幾率跑到核子之外,甚至從一個束縛核子中滲透出來,再進(jìn)入另一個束縛核子之中,兩個相互靠得較近的核子會以一定的幾率彼此融合,使核子自身膨脹起來,核子會因這種膨脹而變,隨之有效質(zhì)量減小。核內(nèi)核物質(zhì)密度越大,核子重疊機(jī)會越多,夸克禁閉長度增加就越大,這一效應(yīng)就越明顯。對EMC效應(yīng)的這一解釋先后由卡爾森(E.E. Carlson)①及克洛斯(F.E. Close)②等人給出,他們的解釋與1988EMC協(xié)作組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了大部分的一致。

事實(shí)證明,夸克自由度的研究還是很初步的,與問題的最后的圓滿解決仍有相當(dāng)大的距離。隨著研究的深入,問題也不斷地接踵而來。1990年下半年,斯坦福直線加速器研究中心又公布了有關(guān)EMC效應(yīng)的新實(shí)驗(yàn)結(jié)果,他們用800GeV的高能質(zhì)子轟擊不同的靶核所產(chǎn)生的雙μ子實(shí)驗(yàn),測定了靶核內(nèi)海夸克密度分布變化。結(jié)果表明,在布約肯變量范圍0.1x0.3時,??淇嗣芏却笾聸]有變化,這與EMC效應(yīng)的各種模型理論的預(yù)言都不一致。即使如此,EMC效應(yīng)的意義仍是不言而喻的,它一方面使人們認(rèn)識到,必須從夸克層次對核的組分與結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新的認(rèn)識;另一方面,從核的夸克禁閉性質(zhì)變化討論禁閉的根源又為粒子物理的研究展開了一個新的天地。它使人們確信,高能核物理以及高能重離子核物理的實(shí)驗(yàn)與理論研究一定能為核中夸克效應(yīng)的研究提供更為豐富的內(nèi)容,夸克、膠子自由度的核效應(yīng)以及夸克、膠子自由度與核子、介子自由度的關(guān)聯(lián)終將會被揭示出來。

C、核物質(zhì)新形態(tài)的探索

迄今為止,已發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定原子核265種,60種天然放射性核,人工合成有2400種核,然而在核素圖上,由中子滴落線、質(zhì)子滴落線及自裂變半衰期大于1μs的限制邊界內(nèi)所包圍的核素應(yīng)有8000余種,這表明有一大半核尚未被人們認(rèn)識。根據(jù)目前的情況,考慮到可能的生成與鑒別方法,估計還可能被生成或鑒別600種左右的新核素,它們是世界各地有關(guān)實(shí)驗(yàn)室不惜耗費(fèi)重金搜索的目標(biāo)。

然而,隨著遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線,未知新核素的生成截面也越來越小,壽命越來越短,使分離、生成和鑒別的難度越來越大。遠(yuǎn)離穩(wěn)定線原子核研究在核物理學(xué)中占有特殊重要的地位。首先,這些核素具有一系列獨(dú)特的性質(zhì),例如它們的中子、質(zhì)子數(shù)之比異常,有的核結(jié)合能極大,有新的衰變方式,如高能β衰變、β延遲粒子發(fā)射、β延遲衰變、表面結(jié)團(tuán)結(jié)構(gòu)、形狀共存以及中子滴落線附近核的反常大半徑等。對這些獨(dú)特現(xiàn)象的研究,有助于檢驗(yàn)和發(fā)展現(xiàn)有的原子核理論。此外,現(xiàn)有的核結(jié)構(gòu)模型,大部分是在β穩(wěn)定線附近幾百種核研究基礎(chǔ)上建立起來的,如液滴模型、獨(dú)立粒子核殼層模型、核集體模型等,它們都有待在遠(yuǎn)β穩(wěn)定線的原子核研究中得到檢驗(yàn)、深化與發(fā)展。隨著新核素的生成與鑒別,以及隨著對它們的衰變性質(zhì)及核結(jié)構(gòu)的研究,會不斷地有新的現(xiàn)象被揭示,人們對核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動規(guī)律的認(rèn)識也將不斷地深化。此外通過對遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線原子核的研究,還可能找到某些新的同位素和核燃料,為核能與核技術(shù)的應(yīng)用提供新的能源??傊?,核物質(zhì)新形態(tài)的研究是一個十分廣闊而又值得探索的新領(lǐng)域,這一領(lǐng)域中的任何新的進(jìn)展都將能推動與它有關(guān)的原子物理、天體物理、核化學(xué)以及放射化學(xué)的進(jìn)展。

在核物質(zhì)新形態(tài)探索中,帶有重要影響的有重離子核物理、極端條件下原子核以及夸克-膠子等離子體的研究。

1.重離子核物理

這是近30年來,在核物理學(xué)研究中一個十分活躍又是極具有生命力的前沿領(lǐng)域。在本世紀(jì)50年代以前,人們在研究原子核的結(jié)構(gòu)與變化時,只是利用質(zhì)量小的輕離子,如氦核、氘核、質(zhì)子、中子、電子和γ射線等轟擊原子核,這一研究已取得了多方面的成果。從50年代到60年代中期,隨著加速粒子能力的提高,人們開始使用高能碳、氮、氧核去轟擊原子核,主要進(jìn)行的是彈性散射與少數(shù)核子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。從6080年代,重離子核反應(yīng)開始逐步成為獲得人工超鍆元素的主要手段。近20年來,大約以每年發(fā)現(xiàn)3040種新核素的速度發(fā)展著。1982511日,美國勞侖斯-伯克利實(shí)驗(yàn)室(LBL)第一次成功地獲得了地球上天然存在的最重元素鈾的裸原子核,并將其加速到每個核子147.7MeV的能量,整個鈾238離子的總能量達(dá)到35GeV。在這個能量上,離子速度達(dá)到了光速的二分之一。LBL的這一創(chuàng)舉,不僅開創(chuàng)了相對論重離子物理學(xué),而且使核物理的研究跨入一個以前無法觸及的新領(lǐng)域,在這個新領(lǐng)域中,一些激動人心的奇特現(xiàn)象引起了物理界的高度重視。LBL得到的高能鈾離子是由一臺稱為貝瓦萊克(Bevalac)的加速裝置獲得的。這臺加速裝置由兩部分組成。一部分是高能質(zhì)子同步加速器,它只能把質(zhì)子加速到10億電子伏,是40多年前建成,如今早已廢棄不用的老加速器,把它配了離子源和注入器,作為第一級加速器使用;另一部分是重離子加速器。通常,重原子的內(nèi)層電子由于強(qiáng)庫侖作用,被緊緊地束縛在原子核外的內(nèi)層,Bevalac先使鈾原子部分電離,形成帶少量正電荷的鈾離子。然后,令其加速,當(dāng)鈾離子的速度超過核外電子的軌道速度時,使鈾離子穿過某種金屬膜,就會有相當(dāng)多的電子被剝離,而形成帶較多正電荷的鈾離子,例如U68+。再使U68+繼續(xù)加速,再使其通過聚酯樹脂薄膜,得到U80+U81+的離子混合物,最后再經(jīng)過一層厚的鉭膜,全部電子均被凈,從而得到了絕大多數(shù)的裸鈾核。

應(yīng)用高能重離子可以研究核裂變的異常行為。在一般的原子核中,庫侖力與核力起著相互制約的作用。若核力較強(qiáng),原子核比較穩(wěn)定;若庫侖力較強(qiáng),核就容易裂變。由于中子只參與核力作用,似乎增加中子數(shù)可保持核的穩(wěn)定,然而,核力的力程極短,隨著距離增加,核力急劇下降,使原子有一個極限尺寸,超過這個極限,原子核將不能束縛更多的中子??闪炎兊拟櫤苏幱诤肆εc庫侖力相抗衡的狀態(tài),它們稍微受到接觸就會裂解,之后,庫侖力占優(yōu)勢,使核裂片互相分離。在Bevalac中產(chǎn)生的相對論性高速鈾核就可以用來研究高能下核裂變行為。果然,把高能裸核注入乳膠探測器中,通過對徑跡分析發(fā)現(xiàn),鈾核與探測器物質(zhì)原子核相撞,出現(xiàn)了一系列奇特現(xiàn)象。例如,在 152個碰撞事例中,有半數(shù)事例的鈾核分裂成大小相差不多的兩塊,另外半數(shù)事件卻分裂成數(shù)塊,甚至在18%的事例中,鈾核被撞擊粉碎,而且入射能量越高,這種粉碎的事例越多,這類事件是高能核裂變的一種反常行為。

用類氦鈾原子還可以對量子電動力學(xué)(QED)進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)量子電動力學(xué),原子體系的躍遷能量可以用一個數(shù)學(xué)式表述,這是一系列冪指數(shù)漸增的連續(xù)項(xiàng)求和式,其中每一項(xiàng)都含有原子序數(shù)和精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。過去,在把這個表述式用于氫和氦等簡單原子時,由于較高階項(xiàng)帶來的修正在實(shí)驗(yàn)中不易被察覺,常被略去不計,可是對于類氦鈾原子,這些高價項(xiàng)卻起著重要作用,在這種情況下,將對 QED的理論進(jìn)行高階次的檢驗(yàn)。在高能重離子實(shí)驗(yàn)中,還發(fā)現(xiàn)了一種具有奇特性質(zhì)的畸形子,這是一種比通常的核更容易與物質(zhì)發(fā)生作用的原子核或核碎片。當(dāng)它們穿透物質(zhì)時,在沒有到達(dá)正常深度前,就已經(jīng)與物質(zhì)發(fā)生了作用,所以它們在靶中的運(yùn)動深度比正常核碎片淺得多。近年來的一些高能重離子實(shí)驗(yàn)表明,大約有3%5%的核碎片屬于畸形子。有一種說法認(rèn)為,它們可能就是一種夸克-膠子等離子體。在這類等離子體中,中子、質(zhì)子已被破壞得失去原來的特性,只剩下一團(tuán)夸克和體現(xiàn)夸克間相互作用力的膠子。

包括LBL,目前世界上共有4臺高能加速器作為重離子核反應(yīng)的研究基地。到1982年為止,LBL已經(jīng)能加速直到鈾元素的全部重離子;美國布魯克海汶國家實(shí)驗(yàn)室(BNL)可以把16O、32S192Au加速到15GeV/N(eV/N為每核子電子伏);歐洲原子核研究中心(CERN)可以把16O32S加速到60GeV/N;美國布魯克海汶國家實(shí)驗(yàn)室擬在1996年建成的相對論重離子對撞機(jī)(RHIC),投資4億美元。它建在原本為建造質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)所開掘的隧道里,隧道周長3.8km。它包括兩個巨大的超導(dǎo)磁環(huán),最大磁場3.8T,可以使質(zhì)量數(shù)小于或等于200的離子能量達(dá)到100GeV/N。它的一個重要目的就是研究在高溫、高密條件下,實(shí)現(xiàn)普通核到夸克-膠子等離子體的相變。在今后的20年內(nèi),相對論重離子物理可望獲得重要進(jìn)展。

2.相對論重離子物理研究

(1)探索夸克-膠子等離子體(QGP)

相對論重離子物理學(xué)是近年來發(fā)展較快的核物理前沿領(lǐng)域,也是今后若干年內(nèi)核物理的重要研究方向之一。它主要是研究在極高溫度(達(dá)到1012K,即太陽中心溫度的 60000倍)以及極高密度(10倍于正常核物質(zhì)密度)下,核由強(qiáng)子態(tài)向夸克物質(zhì)態(tài),即夸克-膠子等離子體的相變。這項(xiàng)研究具有極其重要的意義。首先,夸克-膠子等離子體是人們長期以來渴望求到卻又難以得到的一種物質(zhì)形態(tài)??淇?span lang="EN-US">-膠子等離子體與一般的電的等離子體不同,在夸克-膠子等離子體中,夸克在強(qiáng)子外是自由的,而整體上又是色中性的。如果說,上一世紀(jì)給本世紀(jì)留下了兩個謎,一個是無絕對的慣性系,一個是波-粒二象性,這兩個謎已隨著愛因斯坦的相對論及量子力學(xué)的建成得以解決,那么,本世紀(jì)粒子物理學(xué)的發(fā)展又使另外兩個更深層次的謎,一是對稱性破缺,一是夸克禁閉呈現(xiàn)了出來。當(dāng)前,描述自然界四種基本作用的理論是,描述強(qiáng)相互作用的量子色動力學(xué)(QCD),描述電-弱相互作用的 SU(2)×U(1)的模型理論,描述引力作用的廣義相對論,這些理論的最終統(tǒng)一將使這兩個謎獲得最終解決,而相對論重離子物理研究又直接與這兩個謎相關(guān),正因如此,有人稱這項(xiàng)研究具有世紀(jì)性的地位。當(dāng)兩束高能重離子相撞時,雖然在極短的時間內(nèi),離子之間無重子分布,是一種物理真空區(qū)域,但是它卻比一般的真空能量密度高得多,因而是研究真空激發(fā)態(tài)的理想?yún)^(qū)域。這時物質(zhì)的有效質(zhì)量為零,手征對稱性得以恢復(fù)。此外,又根據(jù)核的相變理論,在正常溫度和正常密度ρN條件下,一般核物質(zhì)處于正常核態(tài);但當(dāng)密度達(dá)到2ρN時,可能出現(xiàn)π凝聚,這是核物質(zhì)具有較高秩序的狀態(tài),類似晶體點(diǎn)陣排列的原子;當(dāng)密度達(dá)到5ρN左右,單個核子產(chǎn)生許多新的激發(fā)能級,核變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的強(qiáng)子物質(zhì);若再進(jìn)一步壓縮核物質(zhì),使密度達(dá)到10ρN左右,核由強(qiáng)子激發(fā)態(tài)繼續(xù)發(fā)生相變,此時出現(xiàn)解除夸克禁閉,夸克跑出核子外,在比核子大得多的范圍內(nèi)自由運(yùn)動。此時,夸克與夸克間相互作用粒子組成夸克-膠子等離子體(QGP)。雖然這種理論分析尚有許多不確定因素,卻引起了許多人的興趣。人們一致認(rèn)為,高能重離子反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)這一相變的最有希望的途徑。有人估計,要實(shí)現(xiàn)普通核的非禁閉相變,核碰撞質(zhì)心能量要達(dá)到100GeV/N。預(yù)計在1996年建成的美國布魯克海汶國家實(shí)驗(yàn)室的相對論重離子對撞機(jī)(RHIC)將能滿足這一要求。

(2)格點(diǎn)規(guī)范場理論對相變條件的預(yù)言

為探索夸克-膠子等離子體,首先應(yīng)從理論上估計核物質(zhì)由強(qiáng)子態(tài)向夸克-等離子體相變發(fā)生的條件。先從核物質(zhì)密度與強(qiáng)子密度之差估算相變所需要的能量。其結(jié)果是,當(dāng)核密度提高到正常態(tài)的4倍時,相變即可實(shí)施。然而這種方法僅只是一種估算,精確的方法應(yīng)采用格點(diǎn)規(guī)范理論。在強(qiáng)子尺度的小范圍內(nèi),研究夸克的物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律時,量子色動力學(xué)采用了微擾展開的方法,這種微擾法取得了很大的成功。但是在大于強(qiáng)子的尺度上,夸克-膠子的等效相互作用強(qiáng)度并不小,由于交換動量的結(jié)果,使夸克-膠子體系產(chǎn)生了各種非微擾量,原來的微擾法不再適用。在強(qiáng)相互作用中,這種非微擾效應(yīng)表現(xiàn)在多方面。從粒子的質(zhì)量看,質(zhì)子的質(zhì)量恰好是938MeV,粒子的質(zhì)量是1236MeVπ0介子質(zhì)量是135MeV,為什么它們恰好是上述值,這實(shí)際上就是一種由非微擾效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果。此外,粒子的壽命、衰變現(xiàn)象、零點(diǎn)波函數(shù)、磁矩、結(jié)構(gòu)函數(shù)甚至真空結(jié)構(gòu)等,也都是夸克-膠子在大距離上的作用效應(yīng),也屬于非微擾效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果。這些現(xiàn)象與非微擾效應(yīng)的關(guān)系,是粒子物理學(xué)中十分重要而又未被完全開發(fā)的領(lǐng)域。1974年,美國康奈爾大學(xué)的威爾遜(K.G.Welson)提出了格點(diǎn)規(guī)范場理論,用以解釋非微擾現(xiàn)象。其作法是,先設(shè)法在4維時空中取一系列等間隔的格點(diǎn),連續(xù)的時空被一系列離散的格點(diǎn)所代替。他規(guī)定,膠子規(guī)范場只在格點(diǎn)間的鍵上起作用,而夸克費(fèi)窯場則定義在格點(diǎn)上。由上述場量組成的格點(diǎn)作用量具有規(guī)范不變性。當(dāng)格點(diǎn)間的距離趨于零時,格點(diǎn)作用量趨于原有的量子色動力學(xué)作用量,格點(diǎn)規(guī)范理論趨于連續(xù)時空的規(guī)范理論,與連續(xù)時空的漸近自由相對應(yīng)。下一步做法是,先在格點(diǎn)體系中計算各個物理量,然后再把格點(diǎn)間距趨于零,就可望得到真正的物理量,特別是那些非微擾量了。

事實(shí)上,微觀世界中的微擾量與非微擾量本是人為地劃分出來的。當(dāng)認(rèn)識水平未達(dá)到一定的層次時,先討論微擾量只是一種對復(fù)雜事物的簡單處理方法。格點(diǎn)規(guī)范場理論的建立表明,人的認(rèn)識水平又向更高層次邁進(jìn)了一步。此外,由于粒子物理與統(tǒng)計物理的研究對象都是有無窮多自由度的體系,格點(diǎn)微擾理論把它們之間的相似性突出地表現(xiàn)了出來。然而,格點(diǎn)規(guī)范理論的計算是很復(fù)雜的,因?yàn)槊總€格點(diǎn)有四個正方向共四個鍵,在SU(3)規(guī)范不變條件下,每個鍵有8個獨(dú)立變量,每個格點(diǎn)又有正反夸克場,每個夸克場有4Dirac分量,有三種色,至少有四種味,這樣一來,對于每邊有16個格點(diǎn)的四維立方體,就有200萬個獨(dú)立變量。由于系統(tǒng)復(fù)雜,目前尚不能使用解析方法求解。但是由于理論的規(guī)范不變性,使討論對象具有群積分的性質(zhì),可以用數(shù)值計算方法計算。1981年,帕瑞西等人利用布魯克海汶國家實(shí)驗(yàn)室的大型計算機(jī),使用抽樣計數(shù)方法,即蒙特卡羅數(shù)值計算法,計算了這些群積分,不僅首次得到了π介子、質(zhì)子、粒子等強(qiáng)子的質(zhì)量,而且還得到了π介子衰變常數(shù)以及標(biāo)志手征對稱性自發(fā)破缺不為零的數(shù)值。以后,又有人用同樣方法計算出更有意義的結(jié)果,例如證實(shí)了兩個重夸克之間的位勢隨距離的增加,呈現(xiàn)由庫侖位勢向線性位勢的變化。這一結(jié)果證明了夸克之間距離加大時,存在有越來越大的作用力,結(jié)果使它們禁閉起來(漸近自由)。計算結(jié)果還顯示,溫度增加到一定程度,即高能粒子互撞時,夸克的自由能突然加大。這表明,在高能散射中,它們有可能從禁閉中被解放出來,相變的臨界溫度為200MeV、密度為正常核密度的5倍以上,達(dá)到這一條件相變即有可能發(fā)生,這一結(jié)果確實(shí)給人極大的鼓舞。

3.實(shí)驗(yàn)嘗試

1986年,歐洲原子核研究中心(CERN)SPS加速器上首次進(jìn)行了(60GeV200GeV)/N的氧束流沖擊重靶的實(shí)驗(yàn),這是一次較為成功的相對論重離子實(shí)驗(yàn)。在這以前所做的有關(guān)實(shí)驗(yàn),如 CERNp-pα-α實(shí)驗(yàn);費(fèi)密實(shí)驗(yàn)室的p-p實(shí)驗(yàn),雖然能量很高,但由于碰撞粒子的質(zhì)量太輕,高能密度聚集的范圍太小,而LBLBevalac上做的Kr束打靶實(shí)驗(yàn),雖然粒子足夠重,但每個核子的能量只有1.8GeV,這個值又太低,使碰撞區(qū)的溫度不夠高。還有的雖然能量足夠高,但實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計性又太差,事例數(shù)太少,都未能獲得成功。

CERN的這次成功實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)了人們所期待的“J/ψ抑制效應(yīng),它是QGP存在的跡象之一。根據(jù)理論分析,J/ψ粒子有三種衰變方式,它可能衰變成兩個電子,e+e-;還可能衰變成兩個μ子,μ+μ-;或者衰變成強(qiáng)子。在高能碰撞中,強(qiáng)子也可能產(chǎn)生J/ψ粒子。J/ψ粒子可以看作由c和粒子組成,自由的c對存在有束縛態(tài)。當(dāng)有QGP產(chǎn)生時,由于德拜屏蔽效應(yīng)的存在,會抑制c束縛態(tài)的出現(xiàn),因而不能組成J/ψ粒子,或者說J/ψ中產(chǎn)生的幾率下降,于是J/ψ中粒子產(chǎn)額抑制現(xiàn)象常被當(dāng)作為QGP出現(xiàn)的信號。

CERN使用的是200GeV/N32S打擊238U,所形成的體系可能是發(fā)射π介子和K介子,也可能發(fā)射J/ψ粒子,J/ψ粒子又可能再衰變,通過衰變粒子,如μ+μ-,來判斷J/ψ粒子的產(chǎn)額。在碰撞區(qū)形成一團(tuán)火球,邊緣地區(qū)的J/ψ粒子產(chǎn)額竟然是火球中心的1.6倍,由此判定,碰撞中心出現(xiàn)了J/ψ抑制,即有產(chǎn)生QGP的跡象。

另一個顯示出現(xiàn)QGP跡象的實(shí)驗(yàn)是在美國布魯克海汶國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的,這是測定K+/π+比例的實(shí)驗(yàn)。他們使用了14.5GeV/N28Si束打擊Au靶,觀測K+π+產(chǎn)額之比,并與質(zhì)子對撞情況相比較。他們認(rèn)為,如果有QGP產(chǎn)生,π+、K-π+產(chǎn)額將減少,至多是不變,而K+的產(chǎn)額卻要增加,這樣一來,有QGP時,K+/π+產(chǎn)額比值應(yīng)加大。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是:28Si打擊Au后,K+/π+產(chǎn)額比值由質(zhì)子對撞時的0.07上升為0.20,而K-/π-的比值則與質(zhì)子對撞時一樣。

重離子對撞實(shí)驗(yàn)是很復(fù)雜的。根據(jù)理論計算,在現(xiàn)有的條件下,對撞區(qū)的溫度可達(dá)到200MeV左右,這個溫度在相變臨界溫度附近,所形成的火球的橫向半徑大約有4.38.1fm,徑向半徑約有2.65.6fm。一個碰撞事例往往可以產(chǎn)生500個以上的次級粒子,處理這樣復(fù)雜的事例以及處理如此大量的特征信號是件極為困難的事,因此,通過上述特征估計 QGP的形成仍只是一種試探。即使如此,由于理論物理學(xué)家已給出相變存在的可能性,也由于實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家又較成功地處理了如此復(fù)雜的反應(yīng)事例,還由于相對論重離子碰撞實(shí)驗(yàn)已達(dá)到了理論預(yù)言的能區(qū),更由于這項(xiàng)研究目標(biāo)所具有的深遠(yuǎn)的意義,這一切都使得夸克-膠子等離子體的研究成為核物理學(xué)前沿的熱點(diǎn)課題之一。

4.奇異核

近年來所發(fā)現(xiàn)的另一種核物質(zhì)的新形態(tài)是包含其它強(qiáng)子的核多體系統(tǒng),又稱奇異核,例如Λ超核、Ζ超核以及反質(zhì)子核等。目前只有Λ超核為實(shí)驗(yàn)所肯定,已開展了一些Λ超核譜學(xué)及生成Λ超核機(jī)制的研究。Λ超核最初是在宇宙射線研究中發(fā)現(xiàn)的。1952年,波蘭物理學(xué)家M.丹尼什和J.普涅夫斯基從暴露在宇宙射線核乳膠中,發(fā)現(xiàn)一個特殊的事例。這是一個高能質(zhì)子擊碎了核乳膠中的銀原子,產(chǎn)生的一個碎片,再通過發(fā)射帶電π介子和一個質(zhì)子衰變,碎片衰變的特征與理論上預(yù)料的Λ超子完全相同,因而認(rèn)定這個碎片就是包含Λ超子的Λ超核。Λ超子是最輕的奇異重子,根據(jù)強(qiáng)相互作用要求,它的奇異數(shù)與重子數(shù)守恒,因而Λ超子在核物質(zhì)中相對強(qiáng)相互作用是穩(wěn)定的,只能產(chǎn)生弱相互作用衰變。Λ超核與Λ超子有幾乎相同的壽命,因而在實(shí)驗(yàn)中可以比較容易地觀察到Λ超核。到目前為止,已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中觀察到幾十種Λ超核以及包含兩個Λ超子的雙超核,甚至包含若干個Λ超子的Σ超核。超核的發(fā)現(xiàn),不僅打破了過去原子核只是由中子、質(zhì)子組成的傳統(tǒng)看法,而且通過超核的研究,還進(jìn)一步獲得了有關(guān)核結(jié)構(gòu)與強(qiáng)相互作用的認(rèn)識。超核物理已成為中、高能原子核物理研究的一個重要分支領(lǐng)域。奇異核伴隨有奇異的現(xiàn)象。首先,與普通核相比,奇異核有著特殊的衰變方式。普通核的衰變類型有:α衰變、β衰變(包括電子俘獲過程)、γ衰變(包括內(nèi)變換過程)和自發(fā)裂變等,奇異核則除了上述方式外,還有一些奇異的衰變方式。例如,奇異核β衰變可釋放很高的能量,經(jīng)β衰變后的末態(tài)核仍處于較高的激發(fā)態(tài),若這一激發(fā)態(tài)的能量高于其中的核子或核子集團(tuán)的結(jié)合能時,這個末態(tài)核仍有可能把多余的能量釋放出來,退激發(fā)而變?yōu)橐环N新的核,稱為子核。這種奇異衰變分為兩個階段,同時有三代核素參與,然而由于第一階段的β衰變比第二階段緩慢得多,在實(shí)驗(yàn)觀測時,僅觀察到第一階段的β半衰期,故常把這種放射性稱為β延遲粒子發(fā)射,或緩發(fā)粒子發(fā)射。其實(shí),早在 1916年盧瑟福(RutherfordErnest 18711937)和伍德(Wood,RobertWilliams18681955)在研究212Bi引起的熒光現(xiàn)象時,就曾發(fā)現(xiàn)在大量具有一定能量的α粒子中,混有少量具有較高能量的長射程α粒子,這實(shí)際上就是β衰變緩發(fā)α粒子。雖然他們觀察到這個現(xiàn)象,卻不明白其成因。直到1930年,伽莫夫(Gamow,George19041968)也觀測到了這個奇特的現(xiàn)象,才對它做出了解釋。伽莫夫認(rèn)為212Bi先經(jīng)過β衰變到212Po,如果212Po處于激發(fā)態(tài),它再放出帶有該激發(fā)態(tài)能量的α粒子,這部分激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)化為α粒子的動能,因而具有較高的能量。如果處于激發(fā)態(tài)的212Po先經(jīng)過γ發(fā)射回到基態(tài),就會發(fā)射低能量的α粒子。212Bi就是緩發(fā)α粒子的先驅(qū)核,而末態(tài)核發(fā)射α粒子后變?yōu)?span lang="EN-US">218Po,就是緩發(fā)α粒子的子核。盧瑟福、伽莫夫等人所觀測到的β緩發(fā)衰變僅只是一種天然放射現(xiàn)象。

1937年,列維斯第一次人工地產(chǎn)生了β延遲α發(fā)射的先驅(qū)核8Li1939年,羅伯茨又在中子轟擊鈾的實(shí)驗(yàn)中,首次探測到了β延遲的中子發(fā)射。50年代末,卡爾諾克霍夫首次觀測并鑒別出β延遲的質(zhì)子發(fā)射先驅(qū)核。此后,被發(fā)現(xiàn)的先驅(qū)核數(shù)量增加很快。近20多年來,大規(guī)模尋找緩發(fā)粒子的先驅(qū)核,并利用這種奇特的衰變方式研究奇異核的性質(zhì)已成為核物理研究中的一個重要課題。

近十多年來,由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了β延遲衰變后兩個或三個核子發(fā)射的奇異衰變方式。19799月歐洲原子核研究中心的一個研究組觀測到了β延遲的二中子發(fā)射,以后又觀測到三中子發(fā)射。1984年,勞侖斯-伯克利實(shí)驗(yàn)室的一個研究組在88英寸的回旋加速器上,觀測到了土22Alβ延遲二質(zhì)子發(fā)射現(xiàn)象。接著歐洲原子核研究中心又在線同位素分離器上發(fā)現(xiàn)了11Liβ延遲3He3H的衰變。在奇異衰變研究中,值得注意的是重離子的奇異放射研究方面的進(jìn)展。1984年,牛津大學(xué)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)了一個奇特的現(xiàn)象。223Raα衰變半衰期通常為11.4天,然而在這種衰變中,他們卻發(fā)現(xiàn)了能量在30MeV14C離子。這一現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率很小,大約在109衰變中才有一次,由于他們沒有放過這個很容易被疏忽的現(xiàn)象,以后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了222Ra224Ra226Ra14C衰變;230Th、231Pa、232U、233U234U24Ne衰變以及234U28Mg衰變。這一放射性所發(fā)射的實(shí)際上是核子集團(tuán),從而反映了核內(nèi)核子的組合方式。對這一奇異現(xiàn)象的解釋,以及尋找新的重離子發(fā)射核實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為核物理中活躍的研究領(lǐng)域。除了奇異的衰變方式以外,奇異核還表現(xiàn)出奇異的形變特性。過去,通常把核認(rèn)作為球形,如早期的核液滴模型以及獨(dú)立粒子殼層模型等。1952年阿·玻爾和莫特遜提出了原子核集體模型,利用這一模型計算核在各種情況下的能量時發(fā)現(xiàn),有些核在特定的變形下能量最低,稍微偏離這種變形,能量上升很快,這種核被稱為硬的變形核;有的核在一定的變形范圍內(nèi),能量的變化不大,被稱為軟的變形核。按照這一模型,除了核子可以在核內(nèi)運(yùn)動外,原子核還可以作為整體振動或轉(zhuǎn)動。處于不同狀態(tài)的核,具有不同的能量和角動量,并對應(yīng)一定的形狀,這些能量又不是連續(xù)的。通過大量的β穩(wěn)定線附近的核研究,人們已經(jīng)找到了核的能級分布與形狀間的關(guān)系。當(dāng)核轉(zhuǎn)動時,如果形狀發(fā)生變化,轉(zhuǎn)動慣量相應(yīng)改變,就會導(dǎo)致核轉(zhuǎn)動能級分布情況變化。這一規(guī)律的研究已成為研究奇異核的基礎(chǔ)。在70年代,實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn),某些核可以有不同的形狀,它們對應(yīng)著不同的能級,有一組建立在球形基態(tài)上,能級的間隔較寬;另一組開始的間距較小,后來越來越大,它們對應(yīng)著硬變形核的轉(zhuǎn)動和振動。這種不同形狀的狀態(tài)在核中同時存在的現(xiàn)象,稱為形狀共存現(xiàn)象。對這一現(xiàn)象的研究,使過去曾被認(rèn)為截然不同的異形核與變形核之間找到了某種聯(lián)系。核的變形程度通常用一個參數(shù)β描述。β近似等于核長短軸之差與兩軸平均長度之比。典型變形核的β值在0.20.25范圍。β0.350.4范圍時,稱為超變形核。超變形核的第一激發(fā)態(tài)能級往往很低。β值及極低的第一激發(fā)態(tài)成為超變形核的兩個判據(jù)。早在1981年,摩勒和尼科斯就曾根據(jù)對奇異核研究的結(jié)果從理論上預(yù)言,中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)在38附近的核,屬于自然界中最強(qiáng)變形的核。果然,人們在遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線區(qū)域檢驗(yàn)球殼層模型中發(fā)現(xiàn),質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都接近幻數(shù)40的核,如74Kr、76Kr核具有非常大的變形。目前,奇異核研究已與重離子核物理相結(jié)合,人們廣泛采用中、高能重離子束,通過彈核破裂的反應(yīng)機(jī)制合成新的奇異核素,并通過核素分離產(chǎn)生的次級奇異核束流研究奇異核反應(yīng)及其性質(zhì)。

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