基礎(chǔ)研究：核物理創(chuàng)新的源泉

李志宏 鄭云

核物理基礎(chǔ)研究包括強(qiáng)子物理、核物質(zhì)性質(zhì)和相變、核結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)、核天體物理等領(lǐng)域。核物理基礎(chǔ)研究在核技術(shù)應(yīng)用的設(shè)計(jì)階段起著舉足輕重的作用，并不斷為核技術(shù)的應(yīng)用開辟新途徑。由于其重要性、基礎(chǔ)性和復(fù)雜性，目前仍然是一門快速發(fā)展中的前沿學(xué)科。

中國(guó)原子能科學(xué)研究院的核物理研究是圍繞我國(guó)國(guó)防核事業(yè)的需要而發(fā)展起來的，對(duì)我國(guó)核科技、核工業(yè)的建立與發(fā)展起到了先導(dǎo)性與基礎(chǔ)性的作用。中國(guó)原子能科學(xué)研究院的核物理基礎(chǔ)研究最早起源于上世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)分為兩個(gè)研究室，即從事原子彈研制階段35#任務(wù)的輕核反應(yīng)核數(shù)據(jù)測(cè)量的老七室和從事原子核理論研究的核理論研究室。彭桓武院士、于敏院士、鄧稼先院士、何澤慧院士、丁大釗院士、張煥喬院士先后在研究室工作，并為“兩彈一星”研究作出過重要貢獻(xiàn)。1986年，HI-13“串列加速器”建成并正式運(yùn)行之時(shí)被命名為12室，成立12室的初衷是以串列加速器及其物理實(shí)驗(yàn)終端為技術(shù)平臺(tái)，開展低能核物理基礎(chǔ)研究前沿領(lǐng)域的相關(guān)課題。三十多年來，基礎(chǔ)研究一直受到政府以及一些老科學(xué)家們的重視。隨著時(shí)代變遷，課題組不斷演變、整合，目前擁有四個(gè)研究組：核反應(yīng)研究組，核結(jié)構(gòu)研究組，核天體研究組與核理論研究組。

我國(guó)核物理基礎(chǔ)研究隊(duì)伍主要集中在北京、蘭州、上海、合肥、成都、長(zhǎng)春、武漢等地區(qū)的研究院所和高等院校，應(yīng)用研究隊(duì)伍的分布則更為廣泛。主要裝置是位于蘭州的HIRFL和北京的HI-13串列加速器。核物理理論研究受裝置條件限制較小，相比于實(shí)驗(yàn)研究，與國(guó)際水平的差距較小，并在某些領(lǐng)域方向形成了自己的特色，處于國(guó)際領(lǐng)先地位。目前，我國(guó)核物理研究裝置僅能提供能量小于GeV/u的重離子束流，在中低能區(qū)的某些研究點(diǎn)上具備了一定的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。目前研究室基于HI-13串列加速器用于開展實(shí)驗(yàn)的設(shè)備主要有：放射性次級(jí)束流線（GIRAFFE）、北京Q3D磁譜儀、核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)終端和在束伽瑪實(shí)驗(yàn)終端等。

早期的實(shí)驗(yàn)核物理研究工作大部分是在HI-13串列加速器上完成的。核物理基礎(chǔ)研究室第一批科研人員在串列加速器上開展的主要工作有： “壘下重離子熔合反應(yīng)”“新核素合成”“原子核高自旋態(tài)研究”等，均取得階段性研究成果。串列加速器上首個(gè)在束實(shí)驗(yàn)是1986年12室楊春祥研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成的，實(shí)驗(yàn)首次觀察到镥-167三軸超形變帶，這是國(guó)內(nèi)核物理實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)超形變帶，也是國(guó)際上找到的第三個(gè)罕見的三軸超形變帶。《科技日?qǐng)?bào)》以“率先發(fā)現(xiàn)镥-167三軸超形變一我國(guó)核結(jié)構(gòu)研究獲重大突破”為題，報(bào)道了這一發(fā)現(xiàn)。在此之后，核物理基礎(chǔ)研究在串列加速器上開展的主要工作有：低能重離子反應(yīng)研究、高自旋態(tài)γ譜學(xué)和結(jié)構(gòu)研究、多極巨共振研究、低自旋特殊核態(tài)研究等，均取得較好的科研成果。研究成果獲得1991年度部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和1999年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。

1993年，核天體研究組在HI-13串列加速器上建成了國(guó)內(nèi)第一個(gè)次級(jí)放射性核束裝置，產(chǎn)生了碳-11、氟-17次級(jí)放射性束。該成果獲得1994年度部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。1994年，又產(chǎn)生了氦-6、鈹-7、氮-13次級(jí)放射性核束。1995年，利用鈹-7束測(cè)量了⁷Be（d，n）⁸B反應(yīng)角分布，在國(guó)際上率先使用漸進(jìn)歸一化常數(shù)方法，導(dǎo)出了與著名的太陽中微子丟失之謎密切相關(guān)的7Be（p，γ）⁸B反應(yīng)的天體物理S因子。該成果受到國(guó)內(nèi)外同行的高度重視，被評(píng)價(jià)為“一個(gè)杰出的實(shí)驗(yàn)”。核物理所柳衛(wèi)平為第一作者的發(fā)表于1996年7月《物理評(píng)論快報(bào)>（Physics Review Letters）雜志的論文，成為第一個(gè)被該期刊登載的在國(guó)內(nèi)完成的實(shí)驗(yàn)核物理研究成果，并引發(fā)了若干類似的實(shí)驗(yàn)和理論研究工作： “HI-13串列加速器上次級(jí)放射性核束的產(chǎn)生和應(yīng)用”獲得1996年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，入選《光明日?qǐng)?bào)》組織評(píng)選的1996年“中國(guó)十大科技新聞”之一，白希祥代表課題組出席了1996年12月8日在人民大會(huì)堂舉行的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)大會(huì)，柳衛(wèi)平獲得1996年度香港求是科技基金會(huì)“杰出青年學(xué)者（物理）獎(jiǎng)”。

在束γ譜學(xué)和高自旋態(tài)研究方面進(jìn)行了廣泛的國(guó)內(nèi)、國(guó)際合作。1997～2000年間，由中國(guó)原子能科學(xué)研究院牽頭，與吉林大學(xué)、蘭州近代物理所以及上海原子核所合作開展的自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“遠(yuǎn)離穩(wěn)定線原子核結(jié)構(gòu)的在束和衰變研究”，取得了一批優(yōu)秀成果。在HI-13串列加速器上通過轉(zhuǎn)移反應(yīng)研究和發(fā)展的ANC方法，發(fā)現(xiàn)硼-12第二、第三激發(fā)態(tài)和碳-13第一激發(fā)態(tài)為單中子暈態(tài)，鋰-6第二激發(fā)態(tài)為中子質(zhì)子暈態(tài)，擴(kuò)大了暈核研究范圍。核物理理論研究在裂變物理、核結(jié)構(gòu)、殼模型理論、相對(duì)論平均場(chǎng)理論、輸運(yùn)理論以及相對(duì)論核一核碰撞理論方面取得了高水平的研究結(jié)果。“微觀輸運(yùn)理論的發(fā)展及其在中高能重離子碰撞中的應(yīng)用”研究，獲得中國(guó)物理學(xué)會(huì)1998～1999年度吳有訓(xùn)物理獎(jiǎng);“核子性質(zhì)和結(jié)構(gòu)及核物質(zhì)集體激發(fā)機(jī)制的非微擾研究”，獲得1999年度國(guó)防科工委科技成果一等獎(jiǎng)。

“十五”期間，核天體研究組得到了“國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃”（973計(jì)劃）、國(guó)家杰出青年基金、國(guó)防基礎(chǔ)科研基金，以及兩項(xiàng)自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金和多項(xiàng)面上基金的資助。利用我國(guó)第一個(gè)低能放射性離子束實(shí)驗(yàn)裝置，開展了核結(jié)構(gòu)和核天體物理若干前沿課題的研究，取得了一系列研究成果。美國(guó)聯(lián)合核天體物理研究中心JINA的R.H.Cyburt和M.Wiescher教授等人把我們的結(jié)果應(yīng)用于X射線暴的計(jì)算，解決了模型計(jì)算與天文觀測(cè)結(jié)果的分歧。實(shí)驗(yàn)得到的天體物理反應(yīng)率被國(guó)際核天體物理反應(yīng)數(shù)據(jù)庫JINA推薦使用。

近年來，核反應(yīng)研究組開展替代反應(yīng)法的研究，確立了輕帶電粒子如p，d，³He，α等俘獲反應(yīng)作為替代反應(yīng)的技術(shù)路線，避免了復(fù)合核自旋修正的困難，為重要核反應(yīng)截面測(cè)量提供了一種新的方法。他們還研究了Z=10-20區(qū)間內(nèi)豐質(zhì)子滴線附近核的質(zhì)子和雙質(zhì)子衰變譜學(xué)，部份成果已被國(guó)際著名數(shù)據(jù)庫一美國(guó)國(guó)家核數(shù)據(jù)中心（NNDC）收錄，成為雙質(zhì)子衰變譜學(xué)的先行者之一。這方面的部分工作被《亞太物理通訊》作為研究亮點(diǎn)而報(bào)道，多次在國(guó)際會(huì)議上做特邀報(bào)告，產(chǎn)生了廣泛的國(guó)際影響。核天體研究組采用截面較大的轉(zhuǎn)移反應(yīng)替代天體物理能區(qū)截面極小的（α，n）反應(yīng)的研究思路，測(cè)量了對(duì)宇宙重元素產(chǎn)生之謎有重要意義的¹³C（α，n）¹⁶O反應(yīng)的激發(fā)函數(shù)和反應(yīng)率，澄清了國(guó)際上現(xiàn)有結(jié)果間高達(dá)25倍的分歧，發(fā)表國(guó)內(nèi)首篇Astrophys.J核物理實(shí)驗(yàn)論文。核結(jié)構(gòu)研究組通過不斷的探索和研究，逐步掌握了從fs到ps量級(jí)，再到ns量級(jí)的原子核壽命測(cè)量技術(shù)，進(jìn)而開展了相關(guān)的核物理前沿領(lǐng)域的研究工作，在原子核形狀相變和手征性研究等領(lǐng)域取得了很多研究成果。理論研究方面，開展了介質(zhì)中核子有效質(zhì)量劈裂問題的研究，研究結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步確定介質(zhì)中的核力，理解和解釋各種奇異原子核的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)規(guī)律以及天體物理中的一些現(xiàn)象，比如中子星的性質(zhì)等，具有非常重要的意義。2014年5月1日，研究結(jié)果發(fā)表在《物理快報(bào)B》上。另外一項(xiàng)關(guān)于高能核-核碰撞理論研究成果也于同年發(fā)表在《物理快報(bào)B》上。

“十三五”以來，核物理基礎(chǔ)研究室捷報(bào)頻傳，相繼獲得自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目一項(xiàng)、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃兩項(xiàng)、自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目一項(xiàng)、聯(lián)合基金和自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等多項(xiàng)。2016年3月1日，錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)室（JUNA）的現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)在四川省西昌市中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室（CJPL）正式啟動(dòng)。開展關(guān)鍵天體物理核反應(yīng)的精確測(cè)量是核天體物理未來發(fā)展不可或缺的重要方向，該實(shí)驗(yàn)室將為國(guó)際上開展天體物理核反應(yīng)精確測(cè)量提供一個(gè)新的頂級(jí)平臺(tái)。2017年5月27日上午11點(diǎn)，錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（JUNA）的強(qiáng)流加速平臺(tái)在原子能院首次地面出束，在靶上獲得260keV、3mA的質(zhì)子束流。系統(tǒng)穩(wěn)定工作40分鐘，為后續(xù)達(dá)到使用指標(biāo)打下基礎(chǔ)。2017年6月28日，核反應(yīng)研究組在奇特核體系光學(xué)勢(shì)研究取得的重要成果“Is the Dispersion Relation Applicable for Exotic Nuclear Systems？ The Abnormal Threshold Anomaly in the 6He+209Bi System”，被國(guó)際權(quán)威物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physics Review Letters）接受發(fā)表。論文第一作者楊磊博士，通訊作者林承鍵研究員及參加該研究的賈會(huì)明研究員、張煥喬院士等均為研究組主要成員，多年來他們一直致力于該領(lǐng)域的研究。2017年9月1 1日，以顏勝權(quán)為第一作者的研究工作“The⁹⁵Zr（n，γ）⁹⁶Zr cross section from the surrogate ratio method and its effect on the s-process nucleosynthesis”被《天體物理雜志》（Astrophysical Journal）正式接受發(fā)表。這是繼2012年美國(guó)天文學(xué)會(huì)《天體物理雜志》首次刊登我國(guó)實(shí)驗(yàn)核物理研究成果以來，再次接受核天體研究組的實(shí)驗(yàn)成果。2018年6月21日，北京ISOL項(xiàng)目迎來了新的里程碑，龍騰北京ISOL預(yù)研項(xiàng)目通過了集團(tuán)公司評(píng)審。

中國(guó)原子能科學(xué)研究院的核物理基礎(chǔ)研究在過去取得了很好的科研成績(jī)，在該學(xué)科方向上處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，在國(guó)際上也有一定的知名度。研究成果在PRL、APJ、PLB等國(guó)際一流核物理期刊上發(fā)表，論文獲得廣泛引用和好評(píng)。近百項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被國(guó)際權(quán)威數(shù)據(jù)庫收錄，多項(xiàng)數(shù)據(jù)被推薦使用。獲得多項(xiàng)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)，其中包括：國(guó)家自然科學(xué)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)防科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，北京市科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)4項(xiàng)，吳有訓(xùn)物理獎(jiǎng)4人次，胡濟(jì)民教育科學(xué)獎(jiǎng)6人次。獲得多項(xiàng)科技部973項(xiàng)目（科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃），國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的重大項(xiàng)目、創(chuàng)新群體項(xiàng)目、重點(diǎn)基金項(xiàng)目、重大儀器項(xiàng)目、重大國(guó)際合作項(xiàng)目和面上項(xiàng)目的資助。

在科研不斷取得突破的同時(shí)，研究室非常重視研究團(tuán)隊(duì)建設(shè)，想方設(shè)法活躍室內(nèi)學(xué)術(shù)氛圍，積極開展“以黨建工作帶動(dòng)核物理基礎(chǔ)學(xué)術(shù)交流，以技術(shù)黨課推動(dòng)核物理基礎(chǔ)業(yè)務(wù)發(fā)展”活動(dòng)，為廣大職工提供了良好的學(xué)習(xí)交流平臺(tái)。近年，除了獲得上述的吳有訓(xùn)物理獎(jiǎng)和胡濟(jì)民教育科學(xué)獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)外，兩人成為院學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人培養(yǎng)對(duì)象，一人獲得集團(tuán)公司“創(chuàng)新創(chuàng)效”一等獎(jiǎng)，分別有一人申報(bào)“國(guó)家拔尖人才”和中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司“菁英項(xiàng)目”。2010年以來，五位院五四報(bào)告特等獎(jiǎng)獲得者均來自核物理基礎(chǔ)研究室，獲院優(yōu)秀博士論文三人，優(yōu)秀碩士論文兩人。

不忘初心，牢記使命！

核物理基礎(chǔ)研究室全體科研工作者將在未來科研征程上繼續(xù)創(chuàng)新，不斷為國(guó)家核事業(yè)作出貢獻(xiàn)。