---原子核高自旋態(tài)特性研究與李代數(shù)超代數(shù)表示及其在原子核結構中的應用

清華大學物理系教授  朱勝江

清華大學物理系教授  龍桂魯

一、原子核高自旋態(tài)特性研究

    亞原子物理的基礎研究是當今人類為探索微觀物質世界而進行的復雜而艱辛的工作，它為人們認識物質的最深層次、認識微觀世界的運動規(guī)律開辟了道路。而原子核結構的研究為探索微觀世界奧秘的一個重要方面。發(fā)達國家特別是歐美投入大量人力、物力，力圖在諸多領域內保持領先地位。從二十世紀七十年代開始，隨著科學技術的發(fā)展，核物理學的基礎研究進入了一個新的階段。其主要研究方向朝極端條件――極高溫、極高能量、極高角動量、高同位旋的方向發(fā)展。為此，世界上許多國家相繼建立代表其科學技術水平的、在國際上具有影響力與顯示度的大科學工程――若干重離子加速器與復雜的探測設備。這些大工程的建立為核物理工作者提供了強有力的工具，帶動其國內以及國際上眾多的研究組（其中大學的研究組占大多數(shù)）參加研究工作。新的激動人心的結果不斷出現(xiàn)。原子核高自旋態(tài)研究為其中的一個重要方面。在高速旋轉（高自旋態(tài)即角動量極高）的極端條件下，原子核會出現(xiàn)一系列奇特的特性，如，高自旋態(tài)中的“回彎”現(xiàn)象：其正常轉動帶隨角動量變大會出現(xiàn)S形的變化；高自旋態(tài)中令人驚異的超形變與巨形變：其對稱橢球的長短軸之比為2：1或3：1；高自旋態(tài)中的反演不對稱的八極形變：原子核的形狀不再是普通的對稱長橢形變而是不對稱的象梨形或香蕉形的形狀；高自旋態(tài)中的形狀共存：近球形、長橢形、扁橢形不同形狀存在于同一核態(tài)中……等等。所有這些新的現(xiàn)象，都包含新的物理本質，有待于人們去深入探索與理解。與此同時，理論上的研究也得到蓬勃發(fā)展，在傳統(tǒng)殼模型的基礎上，發(fā)展起集體運動模型、推轉殼模型、投影殼模型、?A斜殼模型、相互作用玻色子模型等。理論與實驗的密切配合，越來越深入地揭示出原子核微觀世界的運動本質。

    一直到80年代初，清華大學核物理教研組在此領域的實驗研究尚屬空白。為了提高清華大學核物理學科的研究水平，在世界前沿科學研究領域占有一席之地，清華核物理專業(yè)的學者們主要走國際合作的道路，充分利用國際上一流開放實驗室的實驗設備，與國外先進實驗組合作，開展此領域的研究工作。在國外完成實驗工作，在國內進行數(shù)據(jù)分析與處理，得出物理結果。目前國內也有了相應的實驗條件，中國原子能科學院與中科院近代物理研究所（蘭州）都有重離子加速器與相當規(guī)模的探測設備，他們也在那里開展研究工作，在國內有限的實驗條件下爭取做出世界一流水平的成果。

    在改革開放的初期，他們就建立了與美國著名大學與實驗室的聯(lián)系。特別是加強與美國范德比爾特大學教授、國際知名核物理學家J.H.漢密爾頓領導的課題組的合作研究。他們多次邀請國外高級專家來校講學，聘請漢密爾頓教授為我校客座教授。從1982年起，多次派訪問學者、留學生到美國學習、工作。他們在美國著名的國家實驗室，如橡樹嶺、阿貢等從事研究工作，工作學習都非�？炭嗾J真，贏得外國專家的普遍贊揚。他們牢記自己的使命，在國外學習工作，其目的是回國后，在清華大學能開展起國際前沿領域的核物理在束γ譜的高自旋態(tài)研究工作。

    馬文超教授是最早去美國的，經(jīng)過4年的努力，取得博士學位，工作非常出色，在回國期間建立了一套初步的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，其后雖然一直在美國工作，但仍不忘加強清華的研究組與國外的聯(lián)系，他多年來起著橋梁和紐帶作用，為清華課題組的研究水平的提高作出貢獻。朱勝江教授1987年開始，先后4次去美國開展合作研究工作。在訪美期間，除進行正常的重離子核反應高自旋態(tài)研究外，在1988年初，與美國橡樹嶺實驗室著名核物理學家I.Y. Lee（李易陽）博士一起開始用裂變瞬發(fā)γ譜法研究豐中子核的高自旋研究工作，雖然那時的實驗精度很低，但他在回國后，帶領研究生，完善了數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)，并進一步在美國橡樹嶺實驗室的自旋譜儀上進行多次實驗，經(jīng)過幾年的努力，探索出一套數(shù)據(jù)處理與分析的方法，能初步分析出一些新的實驗結果。其重要進展是他在1994-1995年訪美期間取得的，當時由眾多的國際合作組在新建的世界上最先進的探測裝置超級γ球上進行了實驗，他承擔了主要的數(shù)據(jù)分析工作。由于采用了新的數(shù)據(jù)處理方法，使得豐中子區(qū)幾十個核的高自旋態(tài)面目得以顯露。一系列新的結構特性，一批批核的高自旋態(tài), 新的能級結構被建立起來了，多篇重要的論文在國際一流雜志上發(fā)表。漢密爾頓教授在1996年對朱勝江教授的工作作了高度評價，稱贊他的工作非常努力卓有成效，并指出：“他發(fā)現(xiàn)了鋇－142、143穩(wěn)定的八極形變并第一次證實了ħw（轉動頻率）為0.3高自旋態(tài)以上八極形變消失的理論預言。此工作在建立穩(wěn)定八極形變方面是非常重要的……，他已被邀請明年在美國舉行的<裂變與豐中子核特性國際會議>上作邀請報告……”。鄧景康教授1990－1993年在國外攻讀博士學位，研究內容也是高自旋態(tài)方面的工作，他工作非常努力，完成了三個缺中子汞核素的高自旋態(tài)，并在一項研究中，否定了伯克利等實驗組剛發(fā)表的結果，提出了完全不同的理論解釋，美國橡樹嶺國家實驗室的專家一致贊同他的結論。

     目前朱勝江教授領導的研究工作主要是從兩方面入手，一方面，仍是與國外合作，在國外先進實驗設備上做實驗，獲取大量原始數(shù)據(jù)，在校內完成數(shù)據(jù)分析工作。他們在清華的研究組，已建立一套完善的數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)，移植了國際上最新的數(shù)據(jù)處理軟件包，建立了局部網(wǎng)絡系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析的水平與效率是國際先進水平的。而另一方面，在國內國家重點實驗室中國原子能科學院與蘭州重離子物理研究所開展實驗研究工作，在校內完成數(shù)據(jù)分析與處理。與此同時，他們與龍桂魯教授的理論組密切配合，對實驗結果進行理論計算與分析，從中發(fā)現(xiàn)新的物理思想。經(jīng)過多年的努力與積累，這個研究組已成為在國內最具影響力的實驗組之一，在國際上也具有相當?shù)挠绊憽?/p>

     十多年來，原子核高自旋態(tài)的實驗研究得到了多項國家自然科學基金，核工業(yè)科學基金，清華大學理學院基金等的支持。2000年，國內三個主要核物理研究實驗室（中國原子能科學院、中科院蘭州近物所、中科院上海原子核所）及兩所高校（北京大學、清華大學）的有關研究組聯(lián)合申請國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃（973）項目“放射性核束物理與核天體物理”已獲批準，朱勝江教授代表清華核物理組作為專家組成員參加此項目，并作為“高自旋態(tài)的同位旋相關性”的子課題負責人之一。

     該實驗組先后對幾十種核的高自旋態(tài)進行了研究，發(fā)現(xiàn)了許多重要特征，主要成果如下：

    在缺中子核區(qū)，在質量數(shù)60-70區(qū)，130區(qū)、150區(qū)及190區(qū)完成了10多個原子核的高自旋態(tài)研究工作，展現(xiàn)了許多重要特性。如新發(fā)現(xiàn)的多分叉結構與第二大回彎，高自旋扁橢形變轉動帶，八極關聯(lián)效應很強的負宇稱帶，新的形狀共存結構等。這些發(fā)現(xiàn)，，為原子核的微觀理論的發(fā)展提供了重要的實驗依據(jù)，特別是對于平均場投影方法的理論的發(fā)展提供了很好的例證。

    在豐中子核區(qū)，第一次識別與建立了一批極其遠離β穩(wěn)定線的豐中子核的能級圖，對圍繞質量數(shù)140豐中子核區(qū)對八極形變特性進行了系統(tǒng)的研究。八極形變是一種空間反演不對稱的奇異形變，它包含深刻的物理內涵，引起人們很大興趣。該組最早報道了此區(qū)內發(fā)現(xiàn)的第一個奇質量核鋇－143的八極形變，引起國內外同行普遍重視。接著，新發(fā)現(xiàn)與擴展了十多個八極形變核的高自旋態(tài)結構，尤其重要的是，對于鋇－143和鋇－145的最新研究結果。在鋇－143中，展現(xiàn)了八極形變與理論預言完全相符的完美的高自旋態(tài)能級綱圖；而對于鋇－145核，長期以來理論上預言存在八極形變的可能性最大，但是實驗工作者十多年來費了很大的努力始終未尋找到，直到1998年，他們經(jīng)過認真仔細的分析，終于找到了八極形變帶。不僅驗證了理論預言，并且發(fā)現(xiàn)了一條轉動慣量異常大的類似于超形變的八極轉動帶，這種轉動帶在此區(qū)內是第一個發(fā)現(xiàn)，其成因有待理論上進行深入研究。在核質量數(shù)100-110豐中子核區(qū)，對一系列核進行了系統(tǒng)地研究。它包括新的殼層效應、形狀共存與形狀突變、基態(tài)高形變、系統(tǒng)的振動-轉動特性、新的組態(tài)混合帶、對力消失效應等。這些新的特性，有很多在缺中子核區(qū)的高自旋態(tài)研究中所不具有的，它包含非常豐富的和結構信息，給此區(qū)內的理論工作提出不少新的課題。

     在高自旋態(tài)實驗研究中，迄今為止，該組已在國內外期刊會議上發(fā)表論文150多篇，被SCI收錄50多篇，論文被引用三百多次。多次應邀在國際國內會議上作邀請報告，受到國內外同行普遍關注。其中，1997年在美國舉行的國際會議上，朱勝江教授被邀請為大會顧問委員會成員之一，所作關于豐中子核區(qū)八極形變的報告受到同行普遍稱贊。與國外同行一起，聯(lián)合在國外權威刊物上發(fā)表了三篇高自旋態(tài)與裂變研究的特邀評論文章，其中包括大部分該課題組近年來最新的研究成果，有些評論文章已被引用60多次。高自旋態(tài)的研究成果于1994，1996年兩次經(jīng)國內專家鑒定，獲得高度評價，一致認為研究工作達到國際先進水平。1993年獲清華大學頒發(fā)的科技成果證書，1995年獲國家科委頒發(fā)的國家科技成果證書，1996年獲中國“八五”科技成果編委會頒發(fā)的中國“八五”科技成果證書。榮獲1996年清華大學基礎性研究成果獎，1998年教育部科技進步二等獎。2000年獲國家基金委優(yōu)秀論文鼓勵基金。

二、李代數(shù)超代數(shù)表示及其在原子核結構中的應用

     對稱性在物理學中的應用是一個重要的發(fā)展。對稱性原理對于認識物理規(guī)律、簡化問題有重要的意義。1963年由于把對稱性應用于核物理學中的杰出成就，Wigner被授予了Nobel物理獎。楊振寧、李政道先生揭示了弱相互作用中的宇稱不守恒而獲得1957年度的諾貝爾獎。對稱性的研究在物理學的各個分支學科中占有重要的地位。

      對稱性的數(shù)學基礎是群和代數(shù)的理論。對于物理學有重要意義的是李群和李代數(shù)和后來發(fā)展的李超代數(shù)。同數(shù)學家不同，物理學家更關心代數(shù)的具體表示。孫洪洲教授等在50年代提出了不可約張量基的表示理論。在這一理論中，把一個群的生成元劃分為它的一個子群的生成元，以及相對于該子群的各種張量，有效地對代數(shù)的表示進行研究，得到了經(jīng)典李群、經(jīng)典李超代數(shù)的表示。這些代數(shù)對于核物理的研究有重要的意義。

    代數(shù)模型在核物理中的應用，可以追溯到1958年，當時Elliott教授提出了SU（3）模型，成功了地在殼模型中描述了集體轉動。1976年Arima和Iachello提出了相互作用玻色子模型，統(tǒng)一地描述了原子核的各種集體運動，極大地推動了原子核結構的研究。在這一領域中，孫洪洲教授等在國際上最早地給出了質子中子相互作用玻色子模型群鏈結構及其約化。提出了輕核區(qū)的IBM4的動力極限。龍桂魯教授等在IRM2中解決了O（6）核的能譜搖晃現(xiàn)象，給出了IBM3的動力學對稱性結構。龍桂魯教授和Elliott教授等合作，建立了IBM3的微觀基礎理論，對于輕核區(qū)原子核結構的研究有重要的意義，他首次提出了集體回彎效應。

    80年代初，Iachello提出了第一個原子核超對稱理論。接著Balantekin等人提出了第一類U(6/12)原子核超對稱理論。在同實驗比較時，第一類超對稱理論有三大矛盾。孫洪洲教授等于1983年提出了第二類超對稱理論，在同實驗比較時，第一類超對稱理論的三個矛盾全部解決。第二類超對稱理論的預言被實驗一一證明，成為大家公認的超對稱理論。1999年，在奇奇核中證實了超對稱理論的存在，在核物理界引起轟動。而這一被證實的超對稱理論正是第二類超對稱理論的一個推廣。

    目前，核物理正在開展極端條件下的核物理的研究，面臨著許多重要的發(fā)展機遇，相信動力學對稱性方法將會在這一研究中發(fā)揮重要作用。

    該項目獲多項國家自然科學基金，核工業(yè)部科學基金、霍英東青年教師基金、教育部優(yōu)秀年輕教師基金等項目的支持。1997年獲得國家自然科學獎三等獎，1998年獲得教育部科技進步獎二等獎，99年獲得茅以升北京青年科技獎提名獎。