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关于核物理研究的一点思考[量子分子动力学之家]
关于核物理研究的一点思考
 更新时间:2011/11/15 11:00:28  点击数:4447
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PERSONAL VIEW ON NUCLEAR PHYSICS RESEARCH
 
JIE MENG (孟杰)
 
State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology, School of Physics, Peking
University, Beijing 100871, China
School of Physics and Nuclear Energy Engineering, Beihang University, Beijing
100191, China
 
This article is based on the opening speech given at the thirteenth Chinese biennial Nuclear Structure Conference held in Chifeng, Inner Mongolia, China. The history of this series of Chinese biennial nuclear structure conference is briefly introduced. Personal views on nuclear physics research are presented following the overview of the opportunity provided by main nuclear physics facilities world-wide, important sub-field in nuclear physics, main achievement including important progress in Chinese nuclear physics community, the related important series of international nuclear physics conferences, population of nuclear physicists, newly emerging group in nuclear physics and possible improvement on organizing the Chinese biennial nuclear structure conference.
 
文章简要介绍了历次全国核结构大会的历史,并通过对部分国内外大型核物理研究设备现状、当前核物理的重要研究领域、国内外核物理的几个重要进展、国际上重要的核物理会议、核物理领域科普宣传、国内核物理新兴研究基地的介绍,对核物理研究以及如何办好核结构大会等提出一些思考和看法。
 
 
       作为核结构专业委员会主任,上一次在全国核结构大会作大会报告,应该在2006 年。那次会议是受核结构专业委员会的委托,特别地也是曾谨言先生的提议,让我介绍一下核结构发展的几个里程碑以及中国核结构研究20 年的成就1
      自从那次会议之后,核结构专业委员会的几位同事也一直在思考怎样将核结构大会办得更好。大家达成一个基本共识,就是在核结构大会期间,应该委托主任或者副主任做一个工作报告,这个报告的内容可能很多也很杂。我今天的报告就是这个目的,题目为“Personal view on nuclear physics research”,很多是个人看法,也不一定很成熟。
 
      报告的主要内容包括:引言、2008 年以来核物理中几个重要的工作、中国的部分核物理工作、重要的国际核物理会议包括INPC2010(核核碰撞会议由于在中国召开,参会的人很多,这里就不用介绍了)。接下来给大家展示一些人才培养数据、学界新人(指这几年核物理专业毕业的博士,并在国内的研究院所或高校取得固定位置的年轻人)。最后就如何办好核结构大会提出一些建议,希望得到大家指正。
 
1. 引言
 
       第一届全国核结构大会始于1986 年,距今四分之一世纪。这个会议的主要发起人是曾谨言先生和孙洪洲先生,承办人是西南师范大学(现在的西南大学)殷传宗教授和林辛未教授,当时殷传宗教授任西南师范大学物理系系主任。这个会议的一个重要的决定就是这样的会议还得继续下去,并委托中国科学院理论物理研究所赵恩广研究员作为联系人。
      第二届全国核结构大会于1988 年在安徽合肥召开,很遗憾我们缺少一张集体照。第三届全国核结构大会于1990 年在大连召开,徐躬耦先生也参会了。这次会议的承办人是喻身启教授,潘峰教授做了许多具体工作。潘峰教授现任辽宁师范大学物理学院院长,他也是赤峰人,所以第十三届全国核结构大会到这儿来开,我们每距几年总要到原来开会地点转一转。从第四届全国核结构大会起,我暂时脱离组织。2002 年在合肥开会的时候我说过,第一次就参会的人员现在还在的已经不多了,我是其中之一。
        第四届全国核结构大会在湖南张家界召开,参会的人数比较多。这次会议有一个里程碑性质的作用,它标志着全国核结构大会参会人数突破一百人。第五届全国核结构大会是在湖北宜昌召开的,与会人数也不少,这可能与当时的三峡告别游有关。第六届全国核结构大会由近代物理所举办,规模非常大,人数也非常多。第七届全国核结构大会在银川召开,大家可以发现这次会议人数一下子就少了。所以在这个时候,大家酝酿着核结构大会一定要开得热闹些,所以才有了规模非常大的第八届全国核结构大会。第八届全国核结构大会在海南海口召开,有丁大钊、张焕乔、叶铭汉三位院士与会,同时还有现在的原子能院院长赵志祥,当时的兰州近物所的所长罗亦孝,副所长靳根明等强大阵容。
第九届全国核结构大会在安徽大学召开,因为安徽大学也是我们的老根据地,同时也是因为徐辅新教授在他临退休前要为核物理贡献一点力量。这次会议之后还做出了一个大胆的决定,就是赵恩广先生决定把组织这个会议的任务交给我。但是,实际上他一直都在做着大量烦琐、实际的组织工作。这次会议之后,2004 年的第十届全国核结构大会在贵阳召开。2006 年第十一届全国核结构大会在吉林大学召开,我不能确认这是否是吴式枢先生最后一次正式出席的大会,此外吉林大学学术委员会主任邹广田院士也出席了会议。第十二届全国核结构大会我们又回到了重庆,这次会议一共有30 个单位参加,与会代表是140 多人。
 
2. 核物理研究装置
 
      这段时间我在思考一个问题,就是核物理怎么发展?怎么像粒子物理、凝聚态、天体物理等学科一样能够证明它的独特性及其存在的特殊价值?为什么会想到这个问题呢?大家都知道不管是从卢瑟福还是从居里夫人还是贝克勒尔开始,核物理已经走过了一百多年历程。那么这一百多年之后的我们还要研究什么?解决什么问题?这是一个值得我们深思的问题。这几年我也搜集了一些材料和题材供大家参考,其中包括参加国外会议如NUSTAR2010 和INPC2010以及在俄罗斯参加的几次会议搜集的材料。
       大家知道大型核物理研究设备的建设这几年方兴未艾。不久前有一个报道:物理学家在几天之内就发现了几十种新核素,这实际上就是日本理化学研究所新一代放射性束装置RIBF 做出的成果之一。同时, J-PARC 去年正式建成,全世界都欢欣鼓舞。李政道先生在给Nagamiya 祝贺的时候提到,希望J-PARC 除了产生强流质子之外,还有一个功能,就是从此之后能够不断加速诺贝尔奖获得者的产生。大家知道FAIR project,德国很早就开始筹划了。它要建成像CERN 一样的国际合作装置。今年三月份在德国的NUSTAR 会议上,FAIR 的时间表进行了更新。依照新的时间表,如果每一步都按照计划完成,那么整个项目大概在2017 年能完成。如果2017 年才能出物理结果的话,我会很高兴,因为至少我退休之前,核物理的工作还是做不完的。欧盟合作提出的新放射性束装置EURISOL 按照时间表计划是2026 年建成。大家知道,美国在MSU 建造的FRIB 耗资约5 亿美金。在国际上很热的KoRIA 和韩国的称呼非常相近。KoRIA 实际上是Korea Rare Isotope Accelerator 的缩写,是韩国根据美国FRIB 引进消化吸收的放射性束设备,他们的经费已经全部到位,这给世界核物理带来很大的震撼。因为韩国核物理的基础薄弱,但是即使像韩国没有核物理的基础,通过引进消化吸收后可以出口反应堆到中东一样,韩国未来的发展也是不可限量。美国、日本、欧洲等都积极参与韩国的KoRIA 建造。
      近几年来核物理的重要研究领域包括什么呢?当然有非稳定原子核的研究,这是一个方兴未艾的领域。其次是核天体物理、标准模型检验、超子物理以及QCD 物理等等,这些都是核物理比较时髦的领域。
      还有一个问题就是关于核物理的定义。为什么要提到核物理的定义呢?这是几年在国外开会的时候和国外同行交流的主要话题之一。欧洲的核物理这几年的发展势头和日本相比减缓了很多,其中很重要的一个原因就与核物理的定义有很大关系。在欧洲,除了找不到原因来换用别的名字如亚原子物理、有限费米子体系等,几乎很少有人主动提及自己是做核物理的。主要的一个原因就是要回避“核物理”这个名词。记得2000 年在克罗地亚参加NATO 资助的一个核物理的workshop 时,一个德国教授告诉我为什么他们要回避核物理这个名词,理由是前苏联的切尔诺贝利核泄漏使得欧洲有恐核心理。当时,我举了一个例子告诉他,我说我们中国现在蓬勃兴起的是汽车工业,交通事故不断增加,但是从来不会把这个原因归咎于奔驰或福特,那肯定是驾驶员的失误造成的。同样,前苏联的切尔诺贝利核泄漏也应该是管理者的责任,而不应该是科学家的责任,核物理本身是没有责任的。
      日本的情况却恰恰与之相反,五年前欧洲很多科学家就认为日本即将超越他们。这个月初在北美开会的时候,很多美国人和加拿大人都认为现在领导世界核物理发展的龙头是日本。在日本,核物理的范畴很宽,从核物理延伸出来的许多领域依然属于核物理,它没有中高能物理或者强子物理等分支,不同领域之间相互交*很多,这也许是日本核物理发展很快的一个原因。日本核物理的影响还有一个例子,每隔几年,日本和美国联合在Hawaii 召开核物理年会,与会代表数接近千人。记得在911 事件之后,日本和美国联合在Hawaii 召开首次核物理年会,记者问日本核物理年会组织主席,日本和美国在一起开年会代表什么。日方主席说这标志着日本的核物理学界而不仅仅是个别核物理学家完全被美国同行所接受。希望有一天,中国在与日本和美国开核物理年会的时候,同样可以自豪地宣布,这标志中国的核物理界完全被世界所接受。这个所谓的接受,就意味着我们真正进入世界一流。
 
3. 核物理的几个重要进展
 
      以上内容说明核物理目前仍然是一个重要的前沿科学领域。Physical Review C 2009 年的数据可以说明核物理研究的现状。核物理至少包括核子-核子相互作用、少体系统、核结构、核反应、相对论核碰撞、强子物理与QCD、标准模型对称性和核天体物理等领域。重要的核物理杂志Physic Review C 影响因子2009 年是3.477,每年发表的文章是1087 篇,共9805 页2。Physical Review C 2009 年的数据同时还给出了每个国家投稿的总数。美国的投稿数量和发表数量都在呈现相对下降趋势,但是欧洲在增加。很遗憾的是到现在为止,中国还被统计在亚太地区而没有被单列出来。
      美国物理学会网站http://physics.aps.org/, 列出了一些view point on nuclear physics。从2008 年到2010 年, 核物理有15 篇文章,Synopses 有19 篇文章,共34 篇文章。这些文章列出来,可以展现这几年核物理的主要进展。
      首先,一个重要的进展是2010 年7 月8 日在Nature 上发表的有关proton size 文章3。实验测量出来的质子半径和过去的结果相差了4%。如果类比其它一些领域的发展,会发现所有热门领域的发展都经历了这样一个过程:实验与理论相差4% 就可以称为puzzle,或者abnormal,这是一个领域兴起的信号;接下来就是crisis,如spin crisis(质子自旋危机);有了puzzle 和crisis 之后,这个领域就会有很大的发展。这是Nature 很少有的以核物理研究成果作为封面的文章,可以算核物理的一件大事。
      第二个重要进展应该是117 号元素的合成4。这是俄罗斯Dubna 联合核研究所几十年奋斗的结果。它标志着我们在核素图上艰难的探索又迈了非常重要的一步。在INPC2010 会议上,美国国家能源部的D. Dean 介绍核物理研究的美国国家政策,列举了许多核物理推动人类进步和发展的例子,合成117 号元素就列在其中,同时强调117 号元素的合成也有美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室、美国橡树岭国家实验室、范德堡大学、内华达大学的贡献。
      在不稳定核方面取得的一个重大突破是22C 的合成5,这也是核物理的一个重要发现。另外一个工作是理论计算,通过液滴模型计算,把核物质的状态方程推向了低密度的情况6。其实核物理研究发展到今天,我为什么坚信核物理的发展空间还很大呢?因为大家都知道,我们的世界99% 以上的质量来自原子核。但实验给出的原子核性质基本上就是饱和点附近的性质,比这个密度高或者低的核物质性质都不能精确测量。He +208 Pb 实验也是一个重要的工作7,它通过E1 跃迁证明或间接证明了_ 粒子在原子核中是存在的。
      张量力是近年来国际上一个重要的研究热点,张量力究竟有多大的贡献,其实我们并不清楚。但是这方面,日本同行把张量力用到壳模型中,可以再现壳层结构的同位旋依赖性,并指出这是张量力存在的证据8。还有一个特别重要的工作是原子核有球形和形变形状共存9,它与原子核高自旋研究密切相关。过去几十年高自旋态的研究中,我们认为轻核没有集体转动性,重核会发生裂变。而在258Fm 发现的高自旋转动带10,对我们过去的信念产生一个很大的冲击,表明重的原子核里面同样是可以有高自旋态的。下一个重要的工作是关于核反应截面的测量11,它的重要性在于核反应截面的测量与星系里的热核过程相关。
      牛中明等人的工作也引起很大关注12,该工作把核物理的知识运用到天体元素合成的计算过程中。被美国物理学会的编辑起了一个名字: Calibrating the cosmic clock――为宇宙的时钟进行标度。
     最近在Physics Review Letters 还有一个工作,就是Three-Body Forces and the Limit of Oxygen Isotopes13。大家知道到目前为止,通常的核结构模型中,28O 是束缚的。最近,研究壳模型的科学家引入三体力可以把28O 变成非束缚。同样,这个工作和张量力的工作有些类似。但是,我关心如果对F 和Ne 进行将类似计算,最后的结果会是怎样的?
      还有很多重要工作,由于时间限制不再做详细介绍。同时在过去两年中,中国的核物理有很多工作值得骄傲,这里就简单的举几个例子。
关于PRL 的文章,2008 年我们有两篇文章:一篇是梁豪兆等人关于Spin-Isospin Resonances: A Self-Consistent Covariant Description 的文章14;另外一篇付伟杰等人关于中子星方面的文章15。2009 年有N. Paar 和牛一斐等人的工作16,以及亓冲等人关于集团衰变的工作17。应该特别指出的是上周刚被接收的白春林等人的文章18。白春林是张焕乔先生的博士,今年刚取得博士学位,现在在四川大学工作,他们研究张量力对原子核208Pb 的共振态影响。
      中国还有许多工作在很多国际上重要文章中被引用。发表在PRL 上的117 号元素实验合成文章中4,引用了国内两篇理论的文章。其中一篇文章是沈彩万等人发表在International Journal of Modern Physics E 的文章19。可以说,任何时候,只要有好工作,在任何杂志上发表都是可以让大家知道的。我也是International Journal of Modern Physics E 的Managing editor,这个杂志还接收一些review 文章,所以以后大家有感兴趣的题目可以告诉我。另外一篇文章是刘祖华等人的文章20。今年6 月底在俄罗斯开会时,白春林等人发表在Physics Letter B 和Physics Review C 的工作21被俄罗斯人大量引用和评述。李志攀等人关于量子相变的工作22,在去年的欧洲核物理年会和土耳其召开的对称性的会议上被F. Iachello 和R.F. Casten 引用。另外,梁豪兆和尧江明的工作23;24在INPC2010 上被引用。
 
4. 国际上重要的核物理会议
 
      俄罗斯Dubna 每三年召开一次的核结构大会――Structure and Related Topics|NSRT,从上个世纪60 年代开始,持续了差不多半个世纪,建议大家关注。同时,下个月在美国Berkeley 还有一个在北美召开的核结构系列大会,这些都是非常好的会议。
      借此机会,给大家介绍一下INPC2010 会议的情况。整个会议的与会人员约750 人,注册人员约830 人,其中有约130 个学生。中国参加的人数约10 人,所以我们的比例相当相当小。我在参加会议时遇到两个知名科学家:一个是R. Tribble, 现任日本理化学研究所束流委员会主任。这次会议给他安排了一个展板,他就站在那里认认真真、一丝不苟的给大家解释他的展板。另一个是J. H. Hamilton,他与清华大学朱胜江教授有很好的合作,也获得过中国的国家科技合作的友谊奖。同样的,他也在那儿做一个展板。我很敬佩他们这种积极参与的态度。
      会议的开幕致辞是GSI 的P. Braun 做的,他主要是讲核物理的发展。会议有10 个大会模块和40 个大会邀请报告,包括Hot and dense QCD, Hadrons in nuclei, Nuclear astrophysics, Nuclear Reactions, New facilities and instrumentation, Applications and interdisciplinary research, Hadron structure, Nuclear structure, Standard model tests and fundamental symmetries, Neutrinos and nuclei。
      在INPC2010 会议上,日本有四个大会报告,印度有一个大会报告。俄罗斯有一个大会报告,是Yu. Oganessian 讲的117 号元素。大会主席里有两个来自日本。在大会报告和大会主席里面没有安排中国人,大家觉得有点遗憾。同样,日本同行也在抱怨,整个大会报告里面没有安排日本理化学研究所的人。去看一下整个会议的日程,就会发现安排的加拿大会议主席和大会报告还是较多的。所以,从这个角度上看,我们在国内主办国际会议时,怎么安排和突出中国人的工作,同样值得思考。
      分会场一共有48 个,有76 个邀请报告,有185 个口头报告。中国有5 个口头报告:周善贵、梁豪兆、柳卫平、蔡翔舟、方德清;一个分会主席:柳卫平。学生的模块就是展板,所有参会学生必须提供展板, 整个会议结束后评选出一个优秀报告奖及3 个展板奖。梁豪兆和牛一斐都进入了最后的小名单,但最后评出的3 个展板奖和一个口头报告,3 个来自北美,而且其中多数还来自TRIUMF。
大会报告中,Yu. Oganessian 的大会报告做的非常漂亮,因为它让任何与会的人,不管在不在这个领域的都能听得懂。核结构大会安排了四个邀请报告:第一个报告是A. Gade 做的,她在美国阿贡国家实验室工作,所以邀请她做 谱学的报告。第二个报告是德国的A. Schwenk 做的,他是原TRIUMF 理论部的主任。他做有效模型的大会报告,基本是介绍他和T. Otsuka 等人的工作。第三个报告是K. Blaum 做的,他是在Heidenberg 做质量测量的,今年在德国获得GENCO 奖。他的报告让我明白了一点,无论理论还是实验物理工作,只要你清楚问题在哪里,即使困难再大,一步一个脚印,同样可以做很好的工作。另外的大会报告是J. Dobaczewiski 做的,他2001年在INPC 作过一次大会报告,是世界上少有的两次做大会邀请报告的人。
      在大会中也提到了很多中国的工作,其中包括郭冰和申虹的工作,同样也提到了中国的设备CSR、BRIF,以及中国在建和设计正在申请的项目。当然,同样受到关注的还有韩国的KoRIA。过去我们没有超过日本,希望未来我们不会担心赶不上韩国。
在强子结构领域中,孟大中、梁作堂、季向东等人的工作也被多次提及。A. Gade 在 谱学的实验工作中引用了孙扬的一个理论工作。尧江明等人的工作24在J. Dobaczewiski 的大会报告里有提及。梁豪兆等人的工作23在模型检验里面的大会报告被重点引用,认为引起了标准模型中CKM 矩阵的unitarity lost。所谓unitarity lost 和我们前面说到的puzzle 差不多一样。
      和大家一样,近来我也在思考一个问题:Nuclear Physics in China, tobe or not to be?为此,我要感谢李璐璐博士帮我做了一个很重要的工作,就是收集整理我们能收集到的关于国内几个单位最近这两年以来,产出了多少博士,这些博士都在干什么的数据。因为原子能院的数据以及很多大学的数据没有统计,所以这只是一个初步统计。
       2008 年到2010 年,我们培养的博士人数大于80,这是一个令人非常高兴的数字。同样的,我更关心学界的新人,他们在国内什么地方扎下根来。同样很遗憾,这里面也没有原子能院的数据。我非常高兴的看到我们08 年以来至少有40 个新人,如果按照这样的速度发展下去,中国的核物理是非常有希望的。这个数据非常不全面,如果大家有新的数据欢迎提供。
      我关注的另一个问题就是核物理领域对外宣传。在这方面《一万个科学难题》和《Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics Volume》最近都做了一些努力25;26
      此外,在学科建设方面,存在一个有意思的现象,那就是在很多小学校有一个大的学科存在。我想举的两个例子是赤峰学院和湖州师范学院。我不知道这两个学校什么时候会提出国内一流或是国际一流的口号,但是这两个学校在核物理方面都做了很好的工作。另外一方面就是要重视年轻人的培养。这次INPC2010 会议做得不错,年轻的学生去参加会议,不仅可以申请资助,而且会议期间给学生提供两次免费午餐:一次是让他们学习怎么管理好自己的学习和工作;另一次是告诉他们怎么做报告。我觉得这是值得我们借鉴的。
 
5. 关于核结构大会的一些思考
 
      诸位,全国核结构大会到今年已经走过了四分之一个世纪,但是我们还是要想想这个核结构大会究竟应该怎么开,就像我们核物理往哪走一样。我们还是要强调不断要有新人出来,然后要扩大交流。如果大家有很好的建议,我们可以再修改、再提高。
     我们可否形成这样一个固定的模式:大会的报告是30+10 分钟,30 分钟的报告包括近年来该领域的总体情况介绍,再加上10 分钟的讨论。大会报告中的典型工作报告是15+5 分钟,这几年中国的确有一些很好的工作能代表中国的形象,我们就把它控制在15+5 分钟这个模式。此外,就是其它的一些邀请报告,大家觉得有非常强、非常好的人到中国访问,可以邀请他们做一个大会报告,同样也是30+10 分钟。分会报告是20+5 分钟或12+3 分钟。
      最后,评出不多于5 个优秀青年报告奖,然后颁发证书。我们希望让得奖人为在这个领域工作而感到骄傲和自豪,同时让其他人觉得这是一种鼓励和鞭策。现在评奖委员会主任是赵恩广先生,副主任是陈永寿先生,委员是由主任和副主任聘请的。评奖程序是本人申请(按会议组委会给出的时间节点,提交电子版个人简历、发表文章目录及2 篇代表性论文);评奖委员会参加申请人的报告,根据申请人准备报告、讲述和回答问题等环节的表现,综合评定,最后经评奖委员会讨论产生。在会议结束之前,我们颁发优秀青年报告奖。这次会议中,每个部分都安排了两个主席,目的一方面为了让大家共同把会议主持好,另一方面也是为了培养人才。在核物理领域里面除了工作以外,主席也采取老带新的形式,让更多的人承担更大的责任。
     谢谢大家!
 
6. 致谢
 
感谢周善贵、李璐璐、陈颖在准备和整理报告过程中的帮助,同时也感谢国家自然科学基金(批准号:10720003, 10775004, 10435010,10221003)、国家重点基础研究发展计划(批准号:2007CB815000)的资助。
 
References
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