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  ---原子核高自旋态特性研究与李代数超代数表示及其在原子核结构中的应用

清华大学物理系教授  朱胜江

清华大学物理系教授  龙桂鲁

一、原子核高自旋态特性研究

    亚原子物理的基础研究是当今人类为探索微观物质世界而进行的复杂而艰辛的工作，它为人们认识物质的最深层次、认识微观世界的运动规律开辟了道路。而原子核结构的研究为探索微观世界奥秘的一个重要方面。发达国家特别是欧美投入大量人力、物力，力图在诸多领域内保持领先地位。从二十世纪七十年代开始，随着科学技术的发展，核物理学的基础研究进入了一个新的阶段。其主要研究方向朝极端条件――极高温、极高能量、极高角动量、高同位旋的方向发展。为此，世界上许多国家相继建立代表其科学技术水平的、在国际上具有影响力与显示度的大科学工程――若干重离子加速器与复杂的探测设备。这些大工程的建立为核物理工作者提供了强有力的工具，带动其国内以及国际上众多的研究组（其中大学的研究组占大多数）参加研究工作。新的激动人心的结果不断出现。原子核高自旋态研究为其中的一个重要方面。在高速旋转（高自旋态即角动量极高）的极端条件下，原子核会出现一系列奇特的特性，如，高自旋态中的“回弯”现象：其正常转动带随角动量变大会出现S形的变化；高自旋态中令人惊异的超形变与巨形变：其对称椭球的长短轴之比为2：1或3：1；高自旋态中的反演不对称的八极形变：原子核的形状不再是普通的对称长椭形变而是不对称的象梨形或香蕉形的形状；高自旋态中的形状共存：近球形、长椭形、扁椭形不同形状存在于同一核态中……等等。所有这些新的现象，都包含新的物理本质，有待于人们去深入探索与理解。与此同时，理论上的研究也得到蓬勃发展，在传统壳模型的基础上，发展起集体运动模型、推转壳模型、投影壳模型、?A斜壳模型、相互作用玻色子模型等。理论与实验的密切配合，越来越深入地揭示出原子核微观世界的运动本质。

    一直到80年代初，清华大学核物理教研组在此领域的实验研究尚属空白。为了提高清华大学核物理学科的研究水平，在世界前沿科学研究领域占有一席之地，清华核物理专业的学者们主要走国际合作的道路，充分利用国际上一流开放实验室的实验设备，与国外先进实验组合作，开展此领域的研究工作。在国外完成实验工作，在国内进行数据分析与处理，得出物理结果。目前国内也有了相应的实验条件，中国原子能科学院与中科院近代物理研究所（兰州）都有重离子加速器与相当规模的探测设备，他们也在那里开展研究工作，在国内有限的实验条件下争取做出世界一流水平的成果。

    在改革开放的初期，他们就建立了与美国著名大学与实验室的联系。特别是加强与美国范德比尔特大学教授、国际知名核物理学家J.H.汉密尔顿领导的课题组的合作研究。他们多次邀请国外高级专家来校讲学，聘请汉密尔顿教授为我校客座教授。从1982年起，多次派访问学者、留学生到美国学习、工作。他们在美国著名的国家实验室，如橡树岭、阿贡等从事研究工作，工作学习都非常刻苦认真，赢得外国专家的普遍赞扬。他们牢记自己的使命，在国外学习工作，其目的是回国后，在清华大学能开展起国际前沿领域的核物理在束γ谱的高自旋态研究工作。

    马文超教授是最早去美国的，经过4年的努力，取得博士学位，工作非常出色，在回国期间建立了一套初步的数据分析系统，其后虽然一直在美国工作，但仍不忘加强清华的研究组与国外的联系，他多年来起着桥梁和纽带作用，为清华课题组的研究水平的提高作出贡献。朱胜江教授1987年开始，先后4次去美国开展合作研究工作。在访美期间，除进行正常的重离子核反应高自旋态研究外，在1988年初，与美国橡树岭实验室著名核物理学家I.Y. Lee（李易阳）博士一起开始用裂变瞬发γ谱法研究丰中子核的高自旋研究工作，虽然那时的实验精度很低，但他在回国后，带领研究生，完善了数据分析与处理系统，并进一步在美国橡树岭实验室的自旋谱仪上进行多次实验，经过几年的努力，探索出一套数据处理与分析的方法，能初步分析出一些新的实验结果。其重要进展是他在1994-1995年访美期间取得的，当时由众多的国际合作组在新建的世界上最先进的探测装置超级γ球上进行了实验，他承担了主要的数据分析工作。由于采用了新的数据处理方法，使得丰中子区几十个核的高自旋态面目得以显露。一系列新的结构特性，一批批核的高自旋态, 新的能级结构被建立起来了，多篇重要的论文在国际一流杂志上发表。汉密尔顿教授在1996年对朱胜江教授的工作作了高度评价，称赞他的工作非常努力卓有成效，并指出：“他发现了钡－142、143稳定的八极形变并第一次证实了ħw（转动频率）为0.3高自旋态以上八极形变消失的理论预言。此工作在建立稳定八极形变方面是非常重要的……，他已被邀请明年在美国举行的<裂变与丰中子核特性国际会议>上作邀请报告……”。邓景康教授1990－1993年在国外攻读博士学位，研究内容也是高自旋态方面的工作，他工作非常努力，完成了三个缺中子汞核素的高自旋态，并在一项研究中，否定了伯克利等实验组刚发表的结果，提出了完全不同的理论解释，美国橡树岭国家实验室的专家一致赞同他的结论。

     目前朱胜江教授领导的研究工作主要是从两方面入手，一方面，仍是与国外合作，在国外先进实验设备上做实验，获取大量原始数据，在校内完成数据分析工作。他们在清华的研究组，已建立一套完善的数据分析与处理系统，移植了国际上最新的数据处理软件包，建立了局部网络系统，数据分析的水平与效率是国际先进水平的。而另一方面，在国内国家重点实验室中国原子能科学院与兰州重离子物理研究所开展实验研究工作，在校内完成数据分析与处理。与此同时，他们与龙桂鲁教授的理论组密切配合，对实验结果进行理论计算与分析，从中发现新的物理思想。经过多年的努力与积累，这个研究组已成为在国内最具影响力的实验组之一，在国际上也具有相当的影响。

     十多年来，原子核高自旋态的实验研究得到了多项国家自然科学基金，核工业科学基金，清华大学理学院基金等的支持。2000年，国内三个主要核物理研究实验室（中国原子能科学院、中科院兰州近物所、中科院上海原子核所）及两所高校（北京大学、清华大学）的有关研究组联合申请国家重点基础研究发展规划（973）项目“放射性核束物理与核天体物理”已获批准，朱胜江教授代表清华核物理组作为专家组成员参加此项目，并作为“高自旋态的同位旋相关性”的子课题负责人之一。

     该实验组先后对几十种核的高自旋态进行了研究，发现了许多重要特征，主要成果如下：

    在缺中子核区，在质量数60-70区，130区、150区及190区完成了10多个原子核的高自旋态研究工作，展现了许多重要特性。如新发现的多分叉结构与第二大回弯，高自旋扁椭形变转动带，八极关联效应很强的负宇称带，新的形状共存结构等。这些发现，，为原子核的微观理论的发展提供了重要的实验依据，特别是对于平均场投影方法的理论的发展提供了很好的例证。

    在丰中子核区，第一次识别与建立了一批极其远离β稳定线的丰中子核的能级图，对围绕质量数140丰中子核区对八极形变特性进行了系统的研究。八极形变是一种空间反演不对称的奇异形变，它包含深刻的物理内涵，引起人们很大兴趣。该组最早报道了此区内发现的第一个奇质量核钡－143的八极形变，引起国内外同行普遍重视。接着，新发现与扩展了十多个八极形变核的高自旋态结构，尤其重要的是，对于钡－143和钡－145的最新研究结果。在钡－143中，展现了八极形变与理论预言完全相符的完美的高自旋态能级纲图；而对于钡－145核，长期以来理论上预言存在八极形变的可能性最大，但是实验工作者十多年来费了很大的努力始终未寻找到，直到1998年，他们经过认真仔细的分析，终于找到了八极形变带。不仅验证了理论预言，并且发现了一条转动惯量异常大的类似于超形变的八极转动带，这种转动带在此区内是第一个发现，其成因有待理论上进行深入研究。在核质量数100-110丰中子核区，对一系列核进行了系统地研究。它包括新的壳层效应、形状共存与形状突变、基态高形变、系统的振动-转动特性、新的组态混合带、对力消失效应等。这些新的特性，有很多在缺中子核区的高自旋态研究中所不具有的，它包含非常丰富的和结构信息，给此区内的理论工作提出不少新的课题。

     在高自旋态实验研究中，迄今为止，该组已在国内外期刊会议上发表论文150多篇，被SCI收录50多篇，论文被引用三百多次。多次应邀在国际国内会议上作邀请报告，受到国内外同行普遍关注。其中，1997年在美国举行的国际会议上，朱胜江教授被邀请为大会顾问委员会成员之一，所作关于丰中子核区八极形变的报告受到同行普遍称赞。与国外同行一起，联合在国外权威刊物上发表了三篇高自旋态与裂变研究的特邀评论文章，其中包括大部分该课题组近年来最新的研究成果，有些评论文章已被引用60多次。高自旋态的研究成果于1994，1996年两次经国内专家鉴定，获得高度评价，一致认为研究工作达到国际先进水平。1993年获清华大学颁发的科技成果证书，1995年获国家科委颁发的国家科技成果证书，1996年获中国“八五”科技成果编委会颁发的中国“八五”科技成果证书。荣获1996年清华大学基础性研究成果奖，1998年教育部科技进步二等奖。2000年获国家基金委优秀论文鼓励基金。

二、李代数超代数表示及其在原子核结构中的应用

     对称性在物理学中的应用是一个重要的发展。对称性原理对于认识物理规律、简化问题有重要的意义。1963年由于把对称性应用于核物理学中的杰出成就，Wigner被授予了Nobel物理奖。杨振宁、李政道先生揭示了弱相互作用中的宇称不守恒而获得1957年度的诺贝尔奖。对称性的研究在物理学的各个分支学科中占有重要的地位。

      对称性的数学基础是群和代数的理论。对于物理学有重要意义的是李群和李代数和后来发展的李超代数。同数学家不同，物理学家更关心代数的具体表示。孙洪洲教授等在50年代提出了不可约张量基的表示理论。在这一理论中，把一个群的生成元划分为它的一个子群的生成元，以及相对于该子群的各种张量，有效地对代数的表示进行研究，得到了经典李群、经典李超代数的表示。这些代数对于核物理的研究有重要的意义。

    代数模型在核物理中的应用，可以追溯到1958年，当时Elliott教授提出了SU（3）模型，成功了地在壳模型中描述了集体转动。1976年Arima和Iachello提出了相互作用玻色子模型，统一地描述了原子核的各种集体运动，极大地推动了原子核结构的研究。在这一领域中，孙洪洲教授等在国际上最早地给出了质子中子相互作用玻色子模型群链结构及其约化。提出了轻核区的IBM4的动力极限。龙桂鲁教授等在IRM2中解决了O（6）核的能谱摇晃现象，给出了IBM3的动力学对称性结构。龙桂鲁教授和Elliott教授等合作，建立了IBM3的微观基础理论，对于轻核区原子核结构的研究有重要的意义，他首次提出了集体回弯效应。

    80年代初，Iachello提出了第一个原子核超对称理论。接着Balantekin等人提出了第一类U(6/12)原子核超对称理论。在同实验比较时，第一类超对称理论有三大矛盾。孙洪洲教授等于1983年提出了第二类超对称理论，在同实验比较时，第一类超对称理论的三个矛盾全部解决。第二类超对称理论的预言被实验一一证明，成为大家公认的超对称理论。1999年，在奇奇核中证实了超对称理论的存在，在核物理界引起轰动。而这一被证实的超对称理论正是第二类超对称理论的一个推广。

    目前，核物理正在开展极端条件下的核物理的研究，面临着许多重要的发展机遇，相信动力学对称性方法将会在这一研究中发挥重要作用。

    该项目获多项国家自然科学基金，核工业部科学基金、霍英东青年教师基金、教育部优秀年轻教师基金等项目的支持。1997年获得国家自然科学奖三等奖，1998年获得教育部科技进步奖二等奖，99年获得茅以升北京青年科技奖提名奖。