作者简介:孟杰,北京大学教授、博士生导师、教育部“长江学者奖励计划”特聘教授、国家杰出青年基金获得者。孟杰教授的研究工作涉及物理领域的若干热点问题,代表着国际核物理的许多研究领域。在放射性束核物理、原子核手征对称性、奇异原子核性质、磁转动、相对论连续谱理论等方面取得了重大成果。
引子
物理学是探讨物质结构与运动规律的科学。原子核物理学作为20世纪物理学的新的分支,主要研究原子核的组成、结构、相互作用及其转化规律,通常简称为核物理。它是物理学中涉及四种相互作用、包括从少数几个到有限多个相互作用粒子、提供简单两体到复杂多体现象的量子力学研究的独特学科。研究原子核物理,不仅可以了解自然界中元素的起源,而且对宇宙演化也起着重要作用。
原子核是所有物质的核芯,集中了几乎所有物质的重量,而且它还是太阳和其它恒星的燃料。虽然核物理已经取得很大成就,对量子力学的诞生、国家安全、能源、生命科学、农业、医学和工业技术等产生了巨大的推动作用,但是它仍然有许多未知领域。研究核物理,不仅具有深刻的理论意义,还对国防安全和经济建设具有重要价值。鉴于核物理的研究愈来愈依赖于耗资巨大的大型研究设备,核物理的研究水平在某种意义在也成为国家实力的代名词。
本文仅就2009年在核物理与核能研究领域的几个进展作简要回顾。由于篇幅、取向和能力所限,难免挂一漏万,在此深表歉意。
核物理
2009年,欧洲核子中心强子对撞机(LHC)在世界范围内所引起的轰动远远超出了粒子物理与原子核物理研究本身。LHC位于日内瓦附近、瑞士和法国交界地区地下100米深处、总长约27公里的环形隧道内。从上世纪90年代初开始设计,来自80多个国家和地区的约7000名科学家和工程师参与其中,这其中也包括中国的高能物理学家。历经近15年的建设,2008年9月10日,总花费超过80亿美元的LHC终于建成并投入使用。但是在2008年9月19日,LHC在试运行时,因两块磁铁之间的电连接部件在强电流通过时熔化,导致氦泄漏,因此被迫停止运作。
2009年11月20日,在经过了长达14个月的维修和加固之后,LHC终于恢复正常运转,并于23日首次实现了第一束质子束流贯穿整个对撞机。在11月30日成功地把两束反方向循环的质子加速到1.18TeV。12月8日晚又成功实现一次总能量高达2.36TeV的质子流对撞,使LHC成为了目前世界上能量最高的粒子加速器。按计划LHC将在2010年第一季度实现7TeV能级的粒子对撞。
科学家们热切地期盼LHC在物理上能取得重要的突破,包括物质的质量之源:希格斯玻色子(希格斯玻色子是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子,至今尚未在实验中观察到,它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子)。同时,实验结果将对人类理解宇宙中物质与反物质分布的极端不对称性,验证超对称标准模型等提供宝贵的数据,并必将改变人类对宇宙的看法。
日本高强度质子加速器JPARC是日本原子能研究开发机构(JAEA)和高能加速器研究机构(KEK)共同开发、运行的加速器,它将高强度的质子撞击时产生的2级粒子束利用于各种基础及应用研究的多种目的的加速器。历经8年建设,包括直线加速器, 3GeV同步加速器,50GeV同步加速器,散裂中子、μ轻子、K介子、中微子束等实验设施于2009年3月底全部按照计划时间顺利完成。
2009年,元素周期表上又增加一个新成员,德国科学家Sigurd Hofmann领导的研究小组发现的 112号元素被国际纯粹与应用化学联盟(IUPAC)所承认,并拥有112号元素的命名权。为了纪念Nicolaus Copernicus (14731543),他们建议将112号元素命名为Copernicium,简称Cn。此前,GSI发现的107-112共6种化学元素被正式认定的有:107号元素Bohrium、108号元素Hassium、109号元素Meitnerium、 110号元素Darmstadtium和111号元素Roentgenium。
过去十多年中,俄罗斯Dubna的科学家Yu.Ts.Oganessian所领导的研究小组报道了从113到116和118号元素的合成。但是,由于缺乏独立验证,这些元素是否存在一直是一个疑问。2009年9月,美国Lawrence Berkeley国家实验室的科学家利用242Pu(48Ca,xn)290114X反应,证实了俄罗斯科学家关于114号元素合成的实验,并将观测进入已知核区。而且,该实验验证还表明了俄罗斯科学家系列工作的正确性。同时,2009年7月,俄罗斯科学家与美国橡树岭国家实验室联合,利用同样的方法启动了117号元素合成实验。
中国科学院近代物理研究所的重离子冷却储存环(CSR)于2008年正式通过工程验收,现基本具备合成Z≥110超重核素的条件,形成了精确质量测量新的增长点。今年10月15日,CSR主环成功实现了变能量慢引出,慢引出能量可在多个能量之间自动切换,为深部肿瘤治疗临床试验解决了关键技术难题。
中国科学院高能物理所国家重大科学工程——北京正负电子对撞机重大改造工程(简称BEPCII)按进度、指标,高质量地完成了BEPCII的各项建设任务,顺利通过国家验收,主要性能指标亮度已比改造前提高了30多倍,是工作在相同能量区域的美国康奈尔大学的对撞机CESR曾创下的世界纪录的5倍,在τ粲能区国际领先。半年多的试运行表明BEPCII已成为粲物理能区国际领先的对撞机和高性能的兼用同步辐射装置,成为国际同类装置建设的一个范例。
2009年4月29日,坐落于上海浦东张江高科技园区的中国迄今最大的大科学装置和大科学平台“上海光源”宣布建成。上海光源属于世界上性能最好的第三代中能同步辐射光源之一,能量居世界第四,仅次于日本的Spring8 (8GeV)、美国的APS (7GeV)和欧洲的ESRF(6 GeV)。
国家“十一五”期间重点建设的大科学装置中国散裂中子源(CSNS)将于明年开工建设,拟建在广东省东莞市松山湖科技产业园区,总投资高达19亿元。建成后,CSNS将进入世界四大散裂中子源行列,作为发展中国家拥有的第一台散裂中子源,将为国内外科学家提供世界一流的中子科学综合实验装置。
中国唯一的核科学领域国家重点实验室北京大学核物理与核技术国家重点实验室顺利通过国家科技部验收。专家组一致认为该国家实验室定位准确、目标集中、重点突出,研究工作取得了重要进展和若干具有国际先进水平的成果,队伍建设和人才培养取得了显著成效,国内外学术交流与合作活跃,圆满完成建设任务。
在理论研究方面,数千甚至数十万个CPU的超级计算机愈加普遍应用于基础科学研究。美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的科学家利用密度泛函方法可以在一小时算出数千个原子核性质。基于量子色动力学计算低能强子谱和质量较轻原子核的性质也成为可能。日本科学家利用格点量子色动力学成功地计算了核力在坐标空间的表现形式,这些工作以及后续发展必将全面更新人类对强相互作用的认识。
中国科学家一直在理论研究领域有相当的国际竞争力,中国科学家的名字在国际学术会议被提及的频次逐年增加。2009年持续在国际高水平杂志上发表有影响力的文章,逐步形成群体效应和推出持久系统的工作。在B工厂e+e-对撞过程中J/ψ的产生机制、对顶夸克产生和衰变、原子核集团结构与集团衰变、自洽描述形变和连续谱及其耦合的相对论理论、原子核手性破缺、暗能量、协变密度泛函理论、天体物理中的核物理过程、网络计算程序、壳模型理论、同位旋标度规律及反应产物的同位素分布、新的同位旋效应的观测量等方面都取得很好的成绩。
核能
我国核电占全部电力装机容量的比重还不到2%,按国家中长期规划到2020年核电将达40GW,在建18GW,核电比重提高到4-5%。目前,我国新开工建设核电站8个,核准规模3140万千瓦,在建核电规模2067万千瓦,占世界在建核电机组的30%以上,成为世界在建核电规模最大的国家。三代核电自主化依托项目、世界首批AP1000机组,分别于今年4月在浙江三门、9月在山东海阳动工。
为提高核能资源的利用率,我国已在原子能科学研究院投入26亿元,建成快中子堆试验电站,年发电25万千瓦。今年5月25日20点05分,260吨核级钠注入反应堆主容器,到达规定液位,中国实验快堆充钠操作顺利完成,即将达临界。快中子堆是核能发展的第4代堆型,正在进一步发展中。
受控热核聚变是核能未来的一个选择。聚变能有无污染、无长寿命放射性核废料、资源无限等优点。受控热核聚变能的大规模实现将从根本上解决人类社会的能源问题。在这方面,人类已经迈出了受控聚变研究走向实用的关键一步--开始了国际热核聚变实验堆(ITER)计划。ITER计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。这一计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果,首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验室,将研究解决大量的科学技术难题。
利用核能的另外一种可能方式就是衰变能。近年来,原子核的同核异能态也受到了越来越多的关注。自然界中存在很多寿命长至几天、几年甚至几十年的同核异能素。这些同核异能素可能具有非常重要的应用价值。同核异能素储存的能量即它相对于基态的激发能,从每个原子核几十keV到几个MeV或更高。如果同核异能素可以在受控触发下衰变,就可以按需释放储存的能量。因此,核的同核异能态是一种潜在的能源,它的有效利用将至少在以下几方面产生重大的战略意义:(1)由于衰变产物一般不再有放射性,因此,这是一种新型、洁净的核能源;(2)发展小型、高强度的新型核武器;(3)产生伽马射线激光。目前实现同核异能素的可控衰变科学性有待确定,为此,一些国家已经在这方面投入了一定的人力物力进行相关基础研究。
核技术及应用
常规粒子加速器由于存在电场击穿的限制,加速梯度低于100MV/m。过去5年里,强激光加速带电粒子在获得了一系列重大突破,激光加速梯度可以比常规射频加速器高3个数量级。特别是在电子加速方面,人们已经可以在一厘米的空间尺度把等离子体电子从静止加速到GeV量级,并且产生的电子束具有较好的单色性和方向性。10GeV量级所的电子束的产生已经成为国际上多个实验室的下一步研究目标。近来,用强激光来加速质量大得多的离子也取得不少进展,2009年11月在美国物理学会等离子体物理年会上,由来自不同国家的物理学家组成的研究组报道了在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)使用激光产生了67.5MeV的质子。这是迄今为止用激光产生的最高能量的质子,但基于现有的一些方案目前仍难以获得100MeV以及更高能量的准单能质子束。当然,高能强流直线对撞机仍是国际上极为关注的一个前沿。
近期,中国科学家在强场物理-激光加速领域取得了几项重要研究进展:1)发现超短超强激光与固体靶相互作用时存在一种稳相加速机制;2)利用等离子体横向不稳定性可以实现对离子的中心聚束,借此可以产生自聚焦的纳库级质子束,并从理论上解决了中心击穿的问题。这一进展对离子癌症治疗、激光核聚变快点火和新概念加速器等研究将产生重要影响。
2009年11月2日,德国海德堡离子治疗中心(HIT)正式运行。离子束治疗项目由海德堡大学医院、癌症研究中心、DresdenRossendorf研究中心和GSI共同开发。基于GSI开发的新型癌症治疗设备,HIT每年可以治疗1300名病人。同时,根据GSI 和西门子公司的协议,仿照HIT的模式,即将在Marburg和Kiel建造两个离子治疗中心。
新建成的大科学装置兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFLCSR)提供的高能碳离子束,成功实现了深层肿瘤(体内深度2~10厘米)重离子治疗。这是该实验室继2006年11月浅层肿瘤重离子治疗以来,在重离子治癌研究项目上又一次取得的新突破。
我国科学家利用微细加工技术,建立了适合真空中几十KeV低能离子植物种子局域化辐照的方法与技术,在国际上首次证实在植物系统中也存在载能离子,合理解释了低能离子辐照诱变生物体的机理。并拓展已有的载能离子设备,利用离子径迹技术制备单个圆锥型的纳米孔道,获得了酸碱响应性或具有温控开关的固体人工离子通道。该器件在超高速DNA测序、单分子检测与分离以及细胞膜离子通道的模拟方面有非常好的应用前景,被《Nature》等杂志选评为“研究亮点”(Research Highlights)。
致谢
本文准备过程中,得到陈佳洱、欧阳忠灿、张焕乔院士,以及叶延林、柳卫平、王宇钢、竺礼华、颜学庆、张高龙、孙保华、赵恩广、刘玉鑫、许甫荣、周善贵、张双全、耿立升、张玉洁、尧江明、孙保元、龙文辉、张颖、梁豪兆等核物理界的诸多同行的大力支持和帮助,在此一并致谢。
(栏目编辑廖伯琴)