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面向学科前沿
发布时间:2017-03-29 21:55  访问量:294

认识原子核内有效相互作用

  认识核内强相互作用是原子核物理的根本目标。通过约一个世纪的实验和理论研究,人们对原子核内的长程强相互作用有了一定的了解。但是,还不能从量子色动力学出发构建核内的相互作用,只能假定各种有效相互作用形式,采用不断修正的唯象理论模型描述原子核结构和性质。目前,原子核物理的前沿是利用放射性核束装置研究弱束缚核的结构和它们参与的核反应机制,进而认识核内有效相互作用。基于一代和二代放射性核束装置,在轻质量核区,已经发现了奇特核的晕结构、集团组织、传统幻数的消失、新幻数、多核子关联、连续态耦合、同位旋相变等量子多体体系的若干新现象,并观测到反应截面反常增大、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。这些研究成果极大地改变了并正在改变着人们对原子核的传统认识。基于HIAF,能够产生大部分质子滴线核和Z≈30的中子滴线核,在更重的弱束缚核区将会发现激动人心的新现象和新物理。

  我们将产生远离稳定线原子核,以精确系统测量原子核质量为重点,并利用其他实验方法获取弱束缚核结构和反应数据,研究核幻数和壳层结构在非稳定核区的系统演变、晕结构和集团奇特结构、弱束缚核反应机制、核子配对形式、同位旋对称性等,探索原子核内有效相互作用的新形式,发展和完善描述弱束缚核性质的理论。尝试合成新元素,研究超重元素的化学性质,探索理论预言的超重核稳定岛。

探索宇宙中从铁到铀元素的来源

  宇宙大爆炸初期只产生了氢、氦和少量的锂,其他化学元素是在各种天体场所通过核过程生成的。在不同温度和密度的天体场所,发生的核过程不同。恒星平稳演化阶段的热核反应产生了大量的碳、氮、氧等轻元素;在新星和红巨星中,主要发生的是CNO循环、突破CNO循环以及快质子俘获反应,产生了重于碳但轻于铁的各种元素。目前,人们已理解了铁以下元素合成的机制和天体场所,网络计算能够准确地再现天体和宇宙观测得到的轻元素丰度分布。天体物理学家普遍认为,从铁到铀的重元素主要是通过慢中子俘获过程(Slow Neutron Capture Process, 简称s-过程)和快中子俘获过程(Rapid Neutron Capture Process, 简称r-过程)产生的,它们分别产生宇宙中约50%的重元素。s-过程发生在AGB星中,在稳定线附近通过慢中子俘获反应和b衰变产生重元素。但是,尚不清楚r-过程发生的天体环境和场所,也不确定核合成的具体路径。美国物理学界在广泛讨论的基础上,提出了本世纪待解决的11个重大物理问题,其中“从铁到铀的元素是如何产生的”位列第三。此外,高温高密富氢天体环境中发生的快质子俘获过程(Rapid Proton Capture Process,简称rp-过程)也能够生成重元素。研究rp-过程对理解宇宙中92,94Mo,96,98Ru等丰质子稳定同位素的丰度具有重要意义。

  核合成路径上核素质量、寿命和反应率对于模拟重元素产生过程是极其重要的。基于HIAF,可在精确测量核合成路径上关键核素的质量、寿命和相关反应率的基础上,通过网络计算可靠模拟重元素的丰度分布,比较模拟和观测结果,探索重元素合成的路径、时间标度、物理环境和天体场所,理解从铁到铀重元素的起源。

研究高能量密度物质性质

  高能量密度物质是处于能量密度超过1011 J/m3或压强超过100 GPa极端状态的物质。高能量密度物质广泛地存在于恒星和大质量行星内部;在星体内部的高能量密度物质中,往往会自发地发生轻核聚变并释放出大量的能量,这是宇宙中能量的主要来源。人类产生的高能量密度物质仅短暂地存在于核爆和惯性约束热核聚变点火瞬间。在实验室制备高能量密度物质并研究其性质,对于理解宇宙物质构成、认知极端高温高压条件下物质状态和演化规律、制备新物态、探索和开发清洁聚变能源等具有非常重要的意义。

  目前,人们主要利用高功率激光装置、大型Z箍缩放电设备和爆轰装置制备高能量密度物质。高功率重离子束产生的高能量密度物质具有样品尺度大、状态均匀、存在时间长、能量加载可操控性好等特点,开辟了研究高能量密度物质性质的理想途径。德国亥姆赫兹研究中心在建的大型反质子和离子加速器装置FAIR、美国劳伦斯伯克利国家实验室的感应加速器压缩实验装置NDCX以及俄罗斯正在筹建的太瓦加速器TWAC都将高能量密度物质性质作为重要科学目标。

  HIAF建成后,提供的重离子束团功率是国际上最高的。可以提供能量为1.1 GeV/u、脉冲宽度在100 纳秒左右、聚焦尺度0.5~1.0 毫米、单脉冲离子数约为2×1011的重离子束团。设计的单脉冲能量高达上万焦耳、功率接近太瓦,直接打靶可以产生温度在十万摄氏度量级、密度接近固体密度(对应的能量密度为百kJ/g或1012~13 J/m3量级)的高能量密度物质。利用先进的束靶耦合技术,结合高能电子束和质子束诊断方法,HIAF将为开展重离子束驱动高能量密度物理研究提供国际领先水平的实验平台。

研究高电荷态离子与原子、电子和光子的作用

  利用重离子加速器能够产生各种元素的高电荷态离子和种类丰富的放射性高电荷态离子,形成了高电荷态原子物理前沿学科。高电荷态原子物理主要研究强库仑场效应,高剥离态原子的能级结构,以及高电荷态离子与光子、电子、原子、分子和材料表面的相互作用。在高电荷态重离子中,内壳层束缚电子经受着极强的平均电场强度。如下图所示,类氢铀离子中1s轨道电子感受到1016V/cm的电场强度,是氢原子中的一百万倍,也远远大于在实验室中利用其他手段产生的极限强场。因此,高电荷态离子提供了研究强场中的量子电动力学效应(Quantum Electrodynamics,QED),灵敏检测相对论效应、电子关联和原子核尺寸效应的理想手段和环境。高速运动离子与原子和分子相互作用时间极短(10-21~10-18秒),为观测亚阿秒时间尺度的碰撞动力学创造了条件。此外,激光谱学技术与放射性核束产生和操纵技术相结合,开辟了利用离子超精细谱学技术研究不稳定原子核性质的新研究领域。


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类氢离子中1s轨道电子感受到的库仑电场强度