走向原子核版图的边缘.pdf
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走向核素版图的边缘 Towards the edge of nuclear landscape 许甫荣 I. 核物理发展历史 （重要里程碑） II. 当前核物理前沿 超重元素 ? (1834－1907年) 前后20年，1869年门捷列夫发现了元素周期律：元素质量+化学性质 给当时未知元素留空位，预言未知元素：比如，氦、氖、氩、氪、氙和氡 核素版图 Nuclear Landscape 核 版 Z→ 走 向 素 图 的 谷 定 稳 N→ 边 缘 Nuclear landscape What is the Universe made of ? – About 95% are of the dark matter and dark energy (don't know exactly what they are) – Nuclear astrophysics attempts to study the rest 5% The USA National Academy of Science Report listed 11 questions of physics – The Question # 3: How were the elements from iron to uranium made? 核天体物理：Element production s process Pb (82) p process r process Sn (50) I N I Pˆ I rp process I I I Fe (26) stellar burning protons Mass known Half-life known nothing known Supernovae Cosmic Rays H(1) neutrons Big Bang 美国物理学会选出的“2019年物理学发生的十大事件” 4. 走向边缘 物理学家希望下一个元素的滴线不要再等上20年。下一代稀有同位素装置计划在两年内投入使用， 可能会将滴线延伸至镁元素，即元素周期表中的第12号元素。 与粒子物理交叉 -11- I. 核物理发展历史 （重要里程碑） （1824-1907年） 1894年-1900年 1898年 -14- 1895年 1896年 Nobel Prize in Physics (1903) 1898年 因为天然放射性方面的贡献，居里夫妇跟贝克勒尔同一年分享一半 Nobel Prize in Physics (1903) 居里夫人，1911年，因发现元素钋和镭再次获得诺贝尔化学奖 1908年Noble化学奖，这个工 作是得化学Noble的主要基础， 通过alpha decay后，元素蜕 变别的元素. -18- ● 1908: H. Geiger 和 E. Marsden 在研究 ⍺ 粒子散射实验 中发现，约每 8000 个 ⍺ 粒子，就有一个被大角度散射。 E. Rutherford (1871 - 1937) H. Geiger, Proceedings of the Royal Society of London A 81, 174 (1908). E. Rutherford, Philosophical Magazine 21, 669 (1911). 1911年，形成有核原子模型概念 -20- -21- 1913年波尔原子模型 1922年 诺贝尔物理学奖 -22- 在玻尔原子模型基础上，莫塞莱提出了原子序数的概念，解释元素化学性质由核外的电 子壳层排序确定的，推动了原子物理的发展。 一战爆发以后，莫塞莱辞去了他在牛津大学的工作，入伍成为一位工程兵军官。1915年， 莫塞莱阵亡，年仅27岁。如果没阵亡，很可能诺贝尔奖。 因为他的阵亡，英国政府制 定了新的参战资格政策。 发现质子 P. Blackett 1948 云雾室实验工作得 Nobel Prize 核物理早期二个代表性人物 Rutherford被誉为核物理之父 1898年： 英国科学家 汤姆逊 发现电子 1911年： 卢瑟福 ɑ背散射实验 原子模型 1913年： N.玻尔 量子论 建立玻尔原子模型 1919年 (实验1917, 发表1919)： 卢瑟福 发现质子 1932年：查德威克 发现中子 原子和原子核模型的建立 原子核结构 太阳能源 ITER装置 核物理发展的几个里程碑 液滴模型（Gamow提出概念，1935年由Weizsacker数学化，Bethe和N. Bohr贡献） | N Z |2 A1/3 量子力学的Pauli 不相容原理 裂变发现，N. Bohr用液滴模型，马上意识到裂变产生能量！ Q1: 对称能（Asymmetry or Wigner term)物理原因是什么？ 核裂变的发现（1938年：哈恩，迈特纳） 裂变：核能 费米：第一个反应堆 裂变链式反应 Nuclear Shell Model （概念1932年已经提出，1949年发展， 1963 Nobel prize ） Spin-orbit coupling 幻数 Eugene Paul Wigner 开启了核结构的微 观量子理论研究 Maria Goeppert-Mayer J. Hans D. Jensen 从Liquid drop model: 原子核总是球形的！ 高速转动原子核 The Nobel Prize in Physics 1975 The Nobel Prize in Physics 1975 The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Physics for 1975 in equal shares to Professor Aage Bohr, Denmark, to Professor Ben Mottelson, Denmark and to Professor James Rainwater, USA, for the discovery of the connection between collective motion and particle motion in atomic nuclei and the development of the theory of the structure of the atomic nucleus based on this connection. Aage Niels Bohr Ben Roy Mottelson Leo James Rainwater III. 目前的核物理前沿 1. 超重元素 2. 滴线区原子核 3. 与基本对称性相关的精确测量 4. 新理论手段 5. 实验核天体物理 超重岛中心被预言： Z=114或120, N=184, 目前还没 有到达中心。 • Quest for the limits of existence • Halos, Open Quantum Systems, Few Body Correlations Challenging physics • Changing shell structure far away from stability • Skins, new collective modes, nuclear matter, neutron stars • Phases and symmetries of the nuclear many body system • Origin of the elements Neutron Skins Pygmy Resonance Neutron stars Halos EOS Reiner Krücken - NuSTAR 38 无中微子双β衰变（0νββ） Neutrino is its own antiparticle? (Majorana Fermion) 136Xe → 136Ba + 2e- (+ ?) （利用精确的能量守恒关系） 预言衰变寿命： phase-space factor (or kinematic factor); nuclear matrix element （核物理第一性原理计算，非常依赖于母核、子核波函数） 物理可观测量: Free space effective space, 利用场论重整化方法(Goldstone diagrams) 暗物质粒子（WIMPs）与原子核散射：暗物质直接测量 Step 1: 场论扩展 WIMP质量：1 — 100 GeV WIMP与强子的相互作用：弱相互作用—引力作用 困难：作用力的具体数学形式？其强度参数如何确定？ 目标 — 为暗物质实验直接测量提供: 1）暗物质粒子与原子核散射的最佳侯选核 2）散射截面 3）最佳能区 世界上新建、在建、拟建放射性核大装置 MSU-NSCL 美国FRIB 中国BRIF 2014 中国 CSR 2008 CIAE HIRFL CSR Texas A&M 惠州HIAF 韩国 日本RIBF 法国SPIRAL-II 2 德国FAIR 41 核物理的新理论方法 核理论的二个最基本问题 1. 核力（Nuclear Force, 强相互作用） 2. 强关联量子多体体系的求解（many-body problems) 写出来难，处理起来难 最好从QCD出发，但目前还不是很成功… … 44 四中子共振态（Tetraneutron） （大概60年前，猜想） M. Duer et al., Nature 606, 678 (2022) 45 Chiral EFT N3LO + NCGSM, 考虑更多的强关联：Gamow 自然基 46 Z=1 10-24 s 2n Z=0 3n 4n 发现4n体系的重要性： ~ 100 keV 无共振态 共振态 (10−22 s) 1）核力（nn） 2）纯中子物质 … 0p1/2 0p1/2 0p3/2 0p3/2 0s1/2 0s1/2 protons neutrons l=1离心位垒 l=0 无离心位垒 47 小结 历史：在量子力学建立初期，核物理起非常重要的作用 Ø核物理还有许多事情要做！ Ø新一代大型先进核设施建设将给我们带来 空前的机遇，同时对理论是挑战！ Ø还会有新的激动人心的新发现！ 谢 谢 2023.04.21 科大 52