作为衔接微观粒子物理与介观原子分子物理的桥梁，核科学是一个广泛而多样的学科。从国际大爆破后几个微秒内生成的夸克-胶子等离子体，到质子和中子的构成开端以及元素的组成与演化，再到天体核进程的恒星爆破和中子星并合，原子核物理学是咱们了解国际的根底。一起，经过百余年的展开，核物理范畴仍有繁荣的生命力，很多不知道现象的发现与科技的展开为人类带来了新的机会与应战。扼要回忆了2022年原子核物理科技展开的前沿与热门，其间不乏国内引领的优异作业。而这些方向的打破也为根底科学的展开、国家安全的保证和其他社会运用拓荒了新的途径。

  原子核是一切可见物质的中心，占其质量的99.9%。与之相关的空间规范包含了现在为止人类认知的极限，从微观的质子、中子（10-15m）到巨观的天体体系；而时刻规范则涵盖了国际的演化前史，从大爆破后的百万分之一秒到138亿年后的今日。百余年来，人们对原子核的根本性质及其在国际中的效果有了相当大的了解，并将其成功运用于核能、核医学等民生范畴。

  这些问题触及人类对量子体系的知道，并拓宽到与其他科学范畴交融，一起铸就了今日的核物理学科。在曩昔的一年内，经过试验的立异与理论的展开，人们对这些问题也有了更深层次的了解。信任这些方向的打破将会为根底科学、国家安全和其他社会运用的跨学科奉献拓荒新的途径。

  运用放射性核束，能够展开广泛的核结构和反响的丈量，特别是探究原子核的共同性，开掘原子核的普遍规律以及极点条件下的潜在性质，了解物质来历、核力及强彼此效果，然后把握和运用原子核，对核反响、聚变、裂变等动态进程进行猜测，终究满意社会的科学利益和需求。

  这些根本科学问题的驱动使得今日的核物理学仍旧充满活力，并在全球范围内激起了新一代核科学设备的制作。2022年5月，美国放射性同位素核束流设备（FRIB ）建成并正式投入运用。与此一起，在国内，我国科学院近代物理研讨院主导的强流重离子加速器设备（HIAF）正在广东省惠州市如火如荼地制作中（图1），预期于2025竣工。这些国之重器将掩盖包含探究原子核的新的共同结构、拓宽原子核的地图等很多原子核物理的不知道范畴，成为其相关科学研讨的柱石。另一个国内核物理相关的新设备为上海同步辐射光源（SSRF）新的光束线——上海激光电子伽玛源（SLEGS），其在2021年末调试成功并在试运转中，成为国内首台、全球范围内为数不多的用于核科学研讨的高能量伽玛源设备，对核物理根底和运用研讨方面都有促进效果（详见下文）。

  图1 广东强流重离子加速器设备HIAF（a）和上海同步辐射光源SSRF（b）

  在核素图中，只要288种同位素在太阳系的时刻规范上是安稳的。而经过增加核子 （中子或质子），能够使得新生成的核素远离安稳区域（β安稳线），进入短寿数放射性状况。当最终一个核子不再与其他核子捆绑，所对应的核素图所在方位称之为滴线。现在人类已知存在的核素大约3000余种，尚不到当时核理论猜测数量的一半。因为库仑力的存在，许多核素现已达到了质子滴线），可是人们对丰中子侧滴线区的原子核了解甚少。跟着大科学设备的展开与勘探手法的立异，很多丰中子侧的新核素现已或将被发现。近期，在日本理化研讨所（RIKEN）发现了39Na，成功将中子滴线 轻核区中子滴线邻近核素

  一起，这些滴线区邻近的新核素，对人们了解原子核结构与壳层演化有着重要效果。相似于原子物理中的电子轨迹，核物理中也存在着幻数的概念。可是跟着原子核远离安稳区域，因为形变与接连谱效应等影响，这些幻数或许会发生改动。注意到39Na的中子数N=28，为传统原子核幻数之一。与此一起，FRIB的首个试验也丈量到N=28主壳层邻近从Mg到P极丰中子核素的寿数，承认了现有理论对核素寿数的猜测效果。这些新核素的发现及其性质对现有核结构的改善供给重要信息，并对核中幻数的改变性质供给要害了解依据。

  近期，对N=32是否新幻数，有了新的知道。对丰中子Ca同位素的准确研讨供给了对新幻数的直接依据。在之前的试验测得A~50区域的偶偶核的2+态的激起能、B （E2）的电磁跃迁强度以及质量丈量均支撑52Ca是一个双幻核，存在N=32的亚壳结构，可是经过激光谱试验测得的Ca和K的电荷半径都在N

  28的区域呈现了失常的线性增大，没有体现出N=32中子幻数特征。52Ca终究是不是一个好的双幻核，为什么52Ca的电荷半径会如此的大？北京师范大学团队及其协作者根据日本理化研讨所的SAMURAI设备，运用高功率的碘化钠勘探器阵列DALI2和MINOS设备，初次丈量了52Ca（p，pn）51Ca反响的部分截面和动量散布（图3）。经过将试验测得的单中子移除截面与理论核算比较，发现52Ca基态中的价中子简直悉数占有N=32以下的p3/2轨迹（图3（a）），体现出了和已建立的双幻核48Ca（N=28）和54Ca（N=34）相同的性质，供给了N=32作为新幻数的直接依据。因为单中子敲出反响中剩下核的动量散布和被敲走中子的单粒子波函数相关，能够提取单粒子轨迹的均方根半径。动量散布的剖析显现52Ca的2p3/2单中子轨迹的均方根半径比 1f7/2大0.61（23）fm，和理论预言的0.7fm共同，支撑52Ca为双幻核。当然，该物理图画的正确性迫切需求经过对A~50区域的其他同位素链的体系研讨来查验。

  为了了解某种捆绑体系的实质及其彼此效果的根本性质，人们需求在各种极点条件下研讨该体系的状况。在原子核物理范畴，自在中子不能安稳存在，其寿数大约为15min，并经过弱彼此效果衰变成质子、电子和反中微子。可是，捆绑体系中的中子在某些条件下不会衰变。例如，在原子核中，中子经过强壮的核力保持安稳。中子星也是安稳的，这要归功于强彼此效果力对其组成中子的影响。因而，物理学家几十年来一向想知道，仅仅由中子组成的相似原子核的粒子是否存在，即便仅仅时刻短的。

  2002年，人们研讨14Be决裂生成的10Be+4n反响道时，效果初次暗示四中子态或许存在。这一效果的发布也引起了很多理论研讨，但一切的理论效果都标明，要契合试验观察到的效果，有必要极大地修正现有的核力。但这一效果并没有扫除极短寿数四中子共振态存在的或许，为此相关的理论与试验研讨仍在活跃展开。

  核物理试验家们运用日本理化研讨所RIKEN-BigRIPS束流线He次级束流与液氢靶反响（图4），在其类散射反响中经过敲出质子和α粒子，取得了4中子相关态。试验中，丈量了4中子类共振态结构的能量和能级宽度分别为（2.37±0.38 （核算差错）±0.44（体系差错））MeV和（1.75±0.22（核算差错）±0.30（体系差错））MeV。这一效果与北京大学团队的第一性原理核算的理论预言相吻合。

  一般以为，原子核在低能激起区的首要团体激起方式有2类：原子核的滚动（rotation）和振荡（vibration）。1978年，有2位意大利核物理学家预言了原子核低激起的第三类团体运动方式，这是一种同位旋矢量运动方式。经过构建一个半经典的双转子模型，在模型中假定质子（p）和中子（n）构成2个彼此效果的转子环绕其平分线滚动，分别用一把剪刀的2页刀片来标明（图5），他们把这一运动方式形象地称为剪刀方式（scissors mode），或叫剪刀振荡（scissors vibration）。

  近些年，核子间的短程相关（short-range correlations，SRC）研讨引起了国际同行的高度重视，并取得重要展开，这使人们对核子之间彼此效果力的复杂性取得重要知道。核子间的短程相关是原子核内部一种极点的基态，因为核力的短程部分，处于原子核基态中的核子会构成具有较大相对动量和较小质心动量的短程相关核子（图6（a））。试验丈量证明，SRC核子占有了原子核内20%的根本量子态。因为核子间的短程吸引力在核子同位旋为零的时分最强，质子和中子愈加简略构成SRC对。Jefferson Lab的多个试验经过高能电子磕碰原子核，发现在碳核中构成np-SRC对的概率比构成pp-SRC对nn-SRC对的概率高出20倍，并且在更重的原子核中都有相似的性质。但在新近试验中，清华大学科研人员与国外协作者在美国Jefferson Lab运用高能电子散射氦-3核和氚核，对三核子体系中的np-SRC对与pp-SRC对进行了准确丈量，其试验精度比之前的效果高出10倍。氦-3核和氚核互为同位旋镜像原子核，氦-3内部能够构成一对np-SRC或许一对pp-SRC，而氚核则能够构成一对np-SRC或许一对nn-SRC。这一对镜像原子核各自构成的np-SRC对性质是相同的，而氦-3核中的pp-SRC对与氚中的nn-SRC对具有相似的性质，所以试验丈量到氦-3核和氚核中构成恣意SRC对的总概率，就可区别出氦-3原子核中构成np-SRC对与构成pp-SRC对的准确比值。图6（b）展现的首要试验效果标明氦-3核中np-SRC和pp-SRC的比值不到4，远小于其在重核中的比值。该试验效果提醒，现在人们即便对最简略的原子核内部的核子间效果力都没有了解，所以仍需从轻核到重核中构成SRC对的概率散布进行更高精度的丈量，然后发现不同原子核内更丰厚的SRC性质；一起也需求继续完善理论模型，对从轻核到重核中的多体核力进行愈加准确的核算，并逐步了解核子内部的夸克结构对原子核的构成机制所带来的影响。

  2022年11月，我国原子能院核物理研讨所核反响组团队对近库仑势垒能区质子晕核8B的决裂机制进行了研讨。一般，滴线B的质子别离能十分低，其价质子结合得较为松懈，构生长拖尾的晕结构，可被视为一个准敞开的量子体系。当与靶核彼此效果时，8B中的晕质子简略被激起到决裂阈之上，然后构成多体的量子敞开体系（图7）。跟着大科学设备的晋级，近年来的核物理试验已不再局限于捆绑原子核，挨近势阱边际的近阈体系由此成为研讨热门。当原子核内的核子或核子集团被激起到势阱之外并构成一个外部环境时，自在度的增多使其动力学进程愈加精彩，然后展现出多步级联反响、接连态强耦合等共同现象。

  一起，奇特原子核结构与衰变也是研讨核力的有用手法。26P是迄今为止发现的最轻质量的磷同位素。不仅如此，其会在几分之一秒内经过β衰变成26Si，然后发射γ射线）。经过发射粒子间的特色与相关，人们能更好地认知其原子核的性质。经过近期的研讨发现26P衰变生成的26Si激起态中有着比以往观测强几倍的同位旋混合。同位旋量子数用来描绘原子核中质子和中子的异同，因为其全同粒子性，同位旋对称性一般被以为是一个较好的守恒量。可是在该衰变研讨中发现的同位旋混合是同旋对称性损坏的特征，无疑对咱们了解核力提出了新的应战。

  2022年，国内外在天体核进程与元素演化范畴的研讨取得了很多效果，其间包含我国科学院近代物理研讨所的科研人员及协作者近期运用日本稀有放射性核素贮存环（Rare-RIRing，R3），成功丈量了短寿数丰中子核素123Pd的质量，并研讨了新的质量效果对快中子抓获r-进程元素丰度的影响。

  我国锦屏深地核天体物理试验组（JUNA）研讨团队历经7年尽力，研制了深地试验室中最高流强的α粒子加速器、高功率13C同位素厚靶及高灵敏度的中子勘探器阵列（图9）。结合锦屏深地试验室优秀的低本底环境，团队在天体物理能区（0.24~0.59MeV）内准确丈量了13C（α，n）16O反响截面，并运用四川大学3MV串列加速器将丈量能区扩展至高能区（1.9MeV），初次完成了13C（α，n）16O反响截面从天体物理能区到高能区准确的自洽丈量。为展开i-进程和s-进程核组成的天体物理模型及构建超铁元素演化的新图景供给了坚实根底。

  图9 我国锦屏深地核天体物理试验艺术效果（图片来历：中科院近代物理研讨所）

  矢量介子的全体极化非对心的相对论重离子磕碰会沿着反响平面法向方向发生巨大的轨迹角动量。理论研讨指出，该角动量会以流体涡旋的方式传递到夸克-胶子等离子体中，并经过自旋—轨迹彼此效果能够发生自旋极化，这种关于事情反响平面自旋极化的效应称为“全体极化”效应。最近，由复旦大学、中科院近代物理所、美国布鲁克海文国家试验室以及美国肯特州立大学等科学家为主，运用相对论重离子对撞机上的螺旋径迹勘探器试验组（RHIC-STAR）的Au+Au磕碰试验数据，丈量发现了挨近光速的金核-金核对撞构成夸克物质中的ϕ矢量介子体现出全体极化，而传统的机制——例如重离子磕碰中发生的强磁场或物质的涡旋场无法解说新的试验丈量效果。研讨团队丈量了ϕ和K*0介子的自旋摆放，经过盯梢这些粒子的衰变产品相关于反响平面的角散布，再将这些视点散布丈量值转换为母粒子处于3种自旋状况的概率，完成母粒子的自旋摆放（spin alignment）密度矩阵的丈量。没有自旋摆放信号的情况下，这3种状况中每一种的概率都等于1/3，正如关于K*0介子的试验丈量所展现的。可是关于ϕ介子，试验数据体现出激烈的信号，即一种状况优于其他2种状况（图11）。值得指出的是，传统的用来解说夸克-胶子等离子体中的超子全体极化的惯例机制不能描绘新的试验效果。我国科学技能大学团队最近提出了一个新的观念，即夸克-胶子等离子体内强彼此效果力的局域涨落或许驱动了ϕ介子显着的自旋摆放偏好。这种新的机制也考虑了ϕ和K*0介子之间不同夸克组分，并解说了两者之间的差异。新的试验研讨还在继续进行中，包含由同滋味夸克-反夸克对构成的粒子，J/w粒子的全体极化，当然也包含以上说到的理论研讨。关于粒子的全体极化的研讨，供给了研讨夸克物质中强彼此效果力的局域涨落的新办法。

  别的，粲重子和粲介子的产额比是研讨重离子磕碰中夸克-胶子强子化的有力探针，以往的研讨多会集在重核对撞体系中。2022年末，ALICE我国组研讨人员把这个研讨拓宽到13TeV的质子-质子对撞中。他们发现，重子相关于D0介子的产额明显增强，这个增强远大于邻近能区电子对撞体系试验数据；一起，他们也完成了Σc0，++（2455）的丈量，发现它相关于D0也有明显的增强。这些新的丈量好像预示着13TeV质子对撞体系也发生了相似高温高密核物质环境下的行为。

  相对论重离子磕碰中或许呈现多种别致现象，例如因为局域CP破缺而导致的电荷别离效应——手征磁效应（CME）。量子色动力学（QCD）真空拓扑电荷涨落或许在局域发生手征破缺，一起因为QCD物质中夸克手征对称性或许康复，这种局域的手征不对称涨落对导致夸克手征性的破缺，然后发生不同数意图左手夸克和右手夸克。正是从这个根本物理动身，RHIC-STAR国际协作组经过了长时刻的试验寻觅。从最新的试验数据来看，在金-金的半中心磕碰或许看到了CME信号，可是其他物理布景影响一向存在。研讨人员在新的作业中提出，能够经过STAR试验组不同方位勘探器的方位角相关丈量，来完成团体流布景对CME污染的除掉。在新的作业中，他们经过磕碰中心区时刻投影室记载的带电粒子动量信息，和远离磕碰区域、在束流方向上的零度量能器信息的相关，完成了团体流布景的扣除（图14 ）。经过该丈量，研讨人员发现弱小的CME信号，后续的大核算量试验丈量值得等待。

  无中微子双贝塔衰变中微子是否其本身的反粒子，是粒子物理与核物理范畴的严重科学问题之一，有或许协助科学家答复为什么国际中正物质远比反物质多，这是人类能够在国际中存在的根本原因之一。无中微子双贝塔衰变（0νββ）是地球试验室中探究中微子马约拉纳特色的仅有可行办法，即便这种稀有进程发生，其衰变的半衰期至少比国际寿数长一亿亿倍。该衰变将给出马约拉纳中微子的肯定质量，然后得到超出粒子物理学规范模型的确凿依据，因为此进程中没有中微子发射，这也将直接打破规范模型中的轻子数守恒定律。

  坐落意大利格兰萨索国家试验室（LNGS）的无中微子双贝塔衰变国际协作试验（CUORE）首要意图便是寻觅0νββ进程，然后验证中微子的马约拉纳特性。CUORE试验是科学家在极深的地下，经过处于极低温环境的晶体来研讨中微子特性，希望以此找到国际来历的隐秘。该试验坐落意大利中部亚平宁山脉主峰之下1500多米深处，试验室上方的岩石屏蔽使国际射线，这给寻觅极点稀有事情供给了低本底的试验环境。CUORE试验经过206kg极高纯度的130Te晶体来寻觅或许发生的无中微子双贝塔衰变。肯定零度邻近的二氧化碲（TeO2）晶体具有极高热灵敏度，试验中经过TeO2晶体极端细微的温度改变来丈量单次核衰变释放出来的能量。如图20所示，该勘探器由19个极高纯度的TeO2晶体塔组成，每个晶体塔由52个晶体构成。此外，CUORE协作组还制作了能将晶体塔冷却至肯定零度邻近的低温器。该低温器于2014年9月份试运转，成功把1m3的体积冷却到6mK（0.006K），发明了国际中最冷的立方体。

  根据CUORE试验的首个t·a累积数据（1t晶体丈量1a的数据），CUORE国际协作组在《Nature》宣布了对中微子奇特特色研讨取得的最新展开。现在尚没有观测到无中微子双贝塔衰变，但给出了130Te无中微子双贝塔衰变的半衰期下限为2.2×1025a，这是迄今最严厉的约束（在90%置信区间内）。从现在的效果看，即便存在无中微子双贝塔衰变，CUORE的灵敏度或许还不足以勘探到它。但CUORE试验完成了晶体量热器勘探技能立异，研制的低温恒温器是现在国际中最冷的立方体，为下一代更高分辩率试验奠定了根底。实际上，CUORE试验的晋级版CUPID现已在运转。CUPID的勘探灵敏度将比CUORE进步约10倍，将给中微子马约拉纳特色研讨带来希望。经过剖析样机CUPID-0在2017—2020年的运转数据，CUPID协作组在《物理谈论快报》宣布了82Se无中微子双贝塔衰变的半衰期下限为4.6×1024a的试验效果。

  CUORE协作组由来自意大利、美国、我国、西班牙、法国等国家的100多位科学家组成（图21），我国的参加单位有复旦大学和上海交通大学。复旦大学是该国际协作试验的成员之一，早在2006年，马余刚团队就承当了主勘探器资料Te、TeO2粉末以及硝酸、盐酸等溶剂资料样品纯度的高精度检测，随后参加了CUORE-0、CUORE试验的现场设备、调试、运转等作业。上海交通大学副教授韩柯自2009年开端参加CUORE试验，2016年代表上海交通大学参加协作组，现在首要爱好是晶体量热器热传导模型研讨和新式温度传感器的运用。

  当时，国内也在活跃推进相关研讨。依托我国锦屏地下试验室“十三五”国家严重科技根底设备，由复旦大学牵头，联合清华大学、北京师范大学、我国科学技能大学、上海交通大学等多家单位协作成立了CUPID-China协作组，一起展开根据100Mo同位素的新一代低温晶体量热器试验技能，研制钼酸锂（Li2MoO4）闪耀晶体勘探器，展开无中微子双贝塔衰变试验勘探研讨。CUPID-China试验选用新一代光热双读出技能，灵敏度比CUORE试验更高，它运用国内涵晶体生长技能方面的优势，展开无中微子双贝塔衰变试验勘探。该试验将使我国在中微子根本特色、正反物质对称性及国际来历等根底前沿研讨范畴起到重要促进效果。

  光子核物理（或简称光核物理）是核物理的重要分支之一，是研讨光子与原子核之间彼此效果的一门学科，研讨光子与原子核彼此效果的根本规律，以及光场对原子核的结构和衰变等性质所发生的影响。因为光子仅参加电磁彼此效果，做为探针勘探原子核内部结构时，具有本底搅扰小、理论剖析简略等特色，是核物理试验的重要手法之一。依照参加彼此效果的光子能量区别，光子核物理可大致分为强激光核物理、X射线核物理、伽马光核物理等几个分支。其间用于核物理研讨的强激光，一般含义上是指波长在200nm（深紫）到远红外波段（>

  1000nm），这样的强激光光束能够经过传统激光器取得；用于核物理研讨的X射线波段的光束一般经过同步辐射设备或自在电子激光设备取得，其能量范围在keV到100keV量级；用于核物理研讨的伽马光束首要是经过电子与光子的逆康普顿办法取得，其能量范围在MeV及其以上量级。

  2022年，在强激光核物理方面，运用飞秒强激光，上海团队初次完成了激起并观测到83Kr原子核的同核异能态。如图22所示，高压Kr气体经过气体喷嘴被喷出后，冷却结晶构成团簇。团簇中的高密度电子在强激光电场的驱动下，可取得较高能量。一起因为光波电磁场在快速震动，电子也因而在震动并可屡次与83Kr靶原子核磕碰，增加了反响的几率。模仿研讨标明，大都同核异能态是在激光脉冲的数十飞秒期间发生。其对应峰值发生功率高达2.34×1015p/s。这个峰值泵浦功率高于传统加速器约5个量级。原子核同质异能态在许多范畴都有重要运用，以及潜在的重要运用。例如能够运用来做核钟、核电池、核激光、核废料处理等。其间核激光的发生瓶颈之一是如何故高的发生率激起同核异能态，该试验的成功为打破核激光研制瓶颈带来希望。

  相同是同核异能态，2018年Chiara等发现了经过电子抓获（nuclear excitation by electron capture，NEEC）能够将核处于激起态，并运用诱发退激作为试验探针勘探了93mMo（半衰期6.85h）的在束截面。他们测得激起概率1.0（3）%，但此值远远高于理论希望（理论估值比试验值小9个数量级），并难以被最先进的原子理论解说。因为在恒星环境中，长寿数核素能够经过电子抓获核激起（NEEC）进程被激起到其短寿数的同核异能素状况，然后大大影响核素的存活时刻和同位素丰度，这一进程被称为同核异能素诱发退激。而实际上，93mMo的退激触发态不仅仅由NEEC进程发生，还或许由熔合-蒸腾进程发生。将这2个进程在试验丈量中严厉区别，关于鉴别效果具有十分重要的含义。为此，我国科学院近代物理所的研讨团队联合国内外的试验和理论同行，在重离子国家试验室RIBLL1线mMo同核异能素次级束线C靶，然后发生93mMo，并将之输运到远离12C反响靶区，将熔合-蒸腾反响道的产品从物理空间上进行去除和扫除搅扰，然后在低γ本底的环境中对阻挠膜中93mMo的NEEC效果独立丈量。效果显现，无法观察到93mMo的诱发退激现象，并清晰其上限为2×10-5。新的效果与理论预期相契合。该效果标明同核异能态的NEEC机制还有待进一步承认。

  别的在伽马光核物理方面，如前文所述，2022年度，上海激光-电子伽玛源（Shanghai Laser Electron Gamma Station，SLEGS）顺畅建成检验。SLEGS是上海光源二期线条线站之一。其首要科学方针为经过运用伽马光核反响展开核天体物理、核结构等范畴中的根底物理研讨；展开与航天、国防、核能等战略需求相关的运用根底研讨，如航天电子元器件空间辐射效应中的总剂量效应和抗辐射加固评价的研讨，以及航天用γ勘探器的准确定标，核能数据丈量及核废料嬗变处理等。SLEGS的伽马光能量范围在0.15~21.7MeV，光积分通量范围在105@20°至107@180°。伽马束流质量：能量分辩为

  2022年，核物理学科在各个前沿方向上都有着长足的展开，包含大科学设备的制作展开、试验手法与勘探器的改造、最新的试验效果以及理论模型的完善。这些立异性展开对人们认知物质国际的演化、原子核结构、亚核自在度、核力的根本性质、量子色动力学的出现性质等都有着重要的效果。一起，也为粒子物理、天体国际学、光核反响等一系列穿插范畴供给了新的视角，铸就了多学科的交融，为核科学技能以及相关范畴在社会中的运用拓荒了新的途径。

  马余刚，复旦大学现代物理研讨所，核物理与离子束运用教育部要点试验室，国家自然科学基金委理论物理专款-上海核物理理论研讨中心，我国科学院院士，教授，研讨方向为原子核物理。