核物理核物理学科前沿及发展战略

1.科学背景和发展趋势
物质结构按层次划分，复杂与简单交替，根植于相互作用的类型(包括有效的相互作用)，以及层次内外的明显差异和密切关系。原子核和强子是物质结构的微观层，是典型的量子多体复杂系统(图1)。微系统的结构和相互作用与BIGBANG之后的宇宙学过程密切相关，制约着宇宙的演化历史(图2)。原子核包含了丰富的内部自由和各种基本的相互作用，储存了宇宙中大部分已知的可释放能量。近百年来，核物理一直处于材料科学的前沿，对人类的生存和发展以及一个国家的地位和安全产生了巨大的影响，成为衡量综合国力的重要标志。核物理在发展自身的同时，也为其他学科提供了重要的理论基础和研究手段。21世纪，核能和核安全在国家核心利益中的地位越来越突出。在基础研究方面，以几个重大科学项目的建设为标志，国际核物理研究继续蓬勃发展，面临重大突破，对各国国防、能源和交叉领域的发展发挥了重要作用。

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图1物质的层次结构和核物理的研究前沿
【核物理核物理学科前沿及发展战略】

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图2宇宙的历史和核过程
核物理发展的一个重要特征是对科学仪器的依赖，这是由探测微观系统需要极短波长(对应高能)的探测器决定的。另一方面，科学仪器的发展极大地拓展了人类探索微观世界的范围和深度，许多重大突破来自于运用新手段的偶然发现。除了宇宙射线提供的一些自然特殊可能性之外，粒子加速器是研究核物理前沿科学问题的主要科学仪器。与粒子加速器配套的大型实验探测设备是探索物理过程和进行核物理研究不可缺少的工具。
核物理研究涉及国家安全、清洁能源、医疗卫生、跨学科等一系列重要应用。所以一直以来都受到科技强国的高度重视，是必须争夺的战略高地。虽然各国在基础前沿研究方面是开放和合作的，但它们对核物理研究的战略高科技部分有严格的相互限制。因此，在大力加强国际交流与合作的同时，也必须保持和发扬自力更生的优良传统，立足中国发展核心知识和技术。
二、主要研究领域及其发展思路和建议
核物理的研究涉及两个方面:前沿基础和重要应用。基础研究包括强子物理、核材料性质与相变、核结构与动力学、核天体物理学等领域；主要应用包括大型加速器装置、核技术应用、先进核裂变能源装置、核数据等领域。基于各个国家的学术传统，设备技术的发展，团队的传承，这些领域的研究在不同的国家和地区都有自己的侧重点，具体描述如下。
1.核物理前沿研究
1)强子物理学
强子，包括介子和重子，是内部结构可以从物质中分离出来的最小观测单位。强子中的夸克胶子结构和可能的新强子态是人类正在探索的物质世界的微观部分，是中高能核物理和粒子物理的交叉前沿热点。
2)核材料性质和相图
由于现代加速器和探测器技术的快速发展，高能核物理在过去的几十年里取得了巨大的成功。国际社会和政府的持续高投入确保了科学仪器的建设和持续运行。一些主要的前沿学科问题正在被逐步克服。然而，为了深入了解核材料在不同温度和密度下的性质和相图，仍然有一些关键的科学问题没有得到解决，这些问题将成为未来研究的热点和难点。
3)核结构和动力学
目前核结构与动力学的前沿研究主要集中在不稳定核上，称为放射性核束物理或稀有同位素物理(可称为RIB物理)。从1896年核科学诞生到80年代初，人类研究的原子核只有几百个(包括不到300个稳定核)。这些核通常具有相对较大的结合能(平均每个核几MeV)，因此可以称之为深束缚核(或稳定核)，其结构基本可以用平均场和壳层模型来描述。自1985年伯克利国家实验室的辐射束实验以来，人类研究的核素数量迅速扩大。目前实验已产生近3000种核素，理论预测共有8000 ~ 10000种核素。不稳定核的结合能逐渐减小，直到最后一个边界核的结合能为0(滴线)。在滴流区，核变成一个弱束缚的开放系统，其体积可以大大扩大，其结构、形状和有效相互作用性质发生了显著变化。传统核理论的描述正面临着根本性的变革。初步研究的主要发现包括:(1)三种物理力和张力在不稳定核有效相互作用中的突出作用；幻数和壳层在不稳定核区经历系统演化；滴线区域晕圈、群等新的结构自由度明显加强；软巨共振等新的集体运动模式；核反应中的多步过程和强耦合效应；大量突触核蛋白出现，等等。但由于实验设备的限制，以往的研究主要集中在较轻原子核的范围，其中质子滴线约为Z=30，中子滴线仅约为Z=8。大多数滴灌管区域，尤其是富含中子的一侧，仍然很难到达。可以预期，随着研究领域继续向更靠近滴线的更重、更弱的束缚区域扩展，将会发现更丰富的科学宝藏。