随着研究的深入以及实验技术和设备的进步，核物理学现在已扩展到强子结构，强子构成的各种系统的所有强相互作用现象.例如，现代宇宙观测表明，宇宙中存在的可见物质几乎都是由自然界中四种基本相互作用中的最强的力——强相互作用决定的.一些原子核是稳定的，并作为化学元素存在于自然界，其中大部分是放射性的，它们常常以半衰期为特征，经过几次连续的级联衰变，最后衰变为稳定原子核.对于恒星内部化学元素的合成来讲，在原子核碰撞事件中发生的这种原子核的衰变链和核反应是特别重要的.
恒星的燃烧使得轻核聚变为较重的原子核.一旦核燃料耗尽，恒星就会毁灭在巨大爆炸或超新星的环境之中，最后剩下的遗留物通常会形成中子星.这种极端紧密物体的极深的内部，核物质是如此的密，以至于原子核不仅分裂为核子，而且还可能崩解为核子的基本组份——夸克.
所有这些不同的现象和引起这种现象共同的根源——强相互作用都是现在核物理学研究的课题.我们选择核物理学中的几个正在研究的问题介绍如下.
1 构成核物质的原始材料的夸克,胶子和强子
按照我们现在的认识，夸克和胶子的性质属于粒子物理研究的课题，它们分别是基本粒子和基本场，它们构成了可见物质的或者是重子的内部成分.根据普遍的假设，量子色动力学(QCD)提供了描写它们强相互作用的理论基础.在小距离，按照海森伯不确定性原理，也就是在夸克大动量下，实验上已经确认它的正确性.在小距离由于胶子交换的夸克相互作用相对来讲比较弱，因而可以用微扰论来描写.在夸克小动量下，相当于强子直径的距离，由于胶子之间的相互作用，束缚夸克系统的作用变得非常强.相变的出现使得夸克被封闭在强子里.这种情况类似于原子从自由运动的气体变到把原子封闭在液滴里的液体.然而，存在一个重要的差别，原子是能够从液滴里蒸发出来，而夸克是决不会从强子里逃出的.QCD的一个主要不清楚的“相图”问题的仔细研究，是现代核物理里的头一个研究问题，也是今后几十年最大的实验和理论挑战之一.
QCD预言的一个值得注意的现象是夸克和胶子不能在自然界中自由的、孤立的存在.的确，夸克对其他夸克，或者它们的反粒子（反夸克）或者胶子，总显现出相互束缚性质.这样做成的粒子被命名为强子，它们包括由正-反夸克构成的介子和由三个夸克组成的重子.最轻的重子是核子，就是质子和中子，它们同最轻的介子一起构成了组成原子核的基本物质.
关于强子的内部结构问题，最初是用电子或〖QX(Z1〗μ〖QX)〗子轰击强子，并观测它们是如何散射的方法来研究.通过强子吸收光子的实验可以得到更多的信息.为此，现在国际上，已经有了一些可以使用这种试验所需要的加速器和测量设备.
几个例子可以说明这个巨大的研究领域的现状和前景.让我们从中子开始.它不像它的带正电的伙伴——质子，作为一个整体，中子是电中性的.然而，在它的内部可以发现电荷分布：一个带正电的核心被带负电的介子云也就是正反夸克对围绕着.这些发现最近已被德国的缅因兹MAMI电子加速器的新实验所确认并.
像原子和分子那样，重子有个特定的激发态的能量谱，称重子共振态.在核子中，这些共振态可以通过吸收具有足够能量的光子而被激发，进而被研究.正像缅因兹、波恩和美国所进行的那样，这些实验得到的结果含有关于核子内部结构的关键信息.在这些内容当中特别有趣的问题是，当它在密集的核物质介质中时，重子共振态的性质是如何变化的？如果把自由质子的光子吸收的实验结果与不同的原子核光子吸收的结果相比较，非常明显，核子的高共振态溶解为核流体，而此时这种共振态就消失了.
核子像个小陀螺，它们是在磁场中可以取向的微小的磁偶极矩.组成核子的夸克也像个陀螺，也是个小磁体.这样，我们就可以推断出个结论，即把夸克自旋简单的加起来就可以得到核子的自旋.然而，在CERN,DESY的实验，以及在美国的实验都证明这是不正确的.和夸克在一起的胶子的自旋也起到重要的作用.胶子的转动以及胶子在瞬间产生的正-反夸克对组成的海，显现出同样的重要性.
除了要搞清核子内部结构外，介子的研究是强子物理的第二个重点.QCD还进一步预言主要由胶子组成的胶球的存在.这样，找到物质的这种奇特态并识别它们结构就成了物理学亟待研究的问题.研究胶球的一个特别有希望的方法是研究正反质子相互湮灭，因为它可以产生一些可以跃迁到这些奇特态的胶子.在日内瓦的CERN的LEAR的反质子储存环上的晶球探测器被用来探测我们现在认为能量最低的胶球候选者.其他的研究集中在QCD预言的夸克-胶子分子，这里的夸克和胶子像分子中的原子那样松散的相互束缚在一起.这些奇特态的踪
迹曾经被探测.
现在,在CERN正在准备的实验是为了研究在极高能量下强子的反应.其目的是为了产生像粲和底那样的重夸克组成的强子，并研究它们的结构.
如果为了研究粒子同反应中产生的其他粒子的作用，在阈能（产生这个粒子所需的最低能量）区产生的粒子特别重要.德国居理奇的COSY冷却同步加速器可以第一次在它的阈产生奇异夸克，而这样就可以研究奇异夸克与质子的作用.
2 强子物质的不同相
核子之间的力类似于分子之间的力，也依赖于它们之间的距离.这就是为什么核物质的行为类似于通常的液滴.今天，在实验室的控制条件下，通过原子核的高能碰撞可以改变核物质的温度、压强和密度.在原子核迎头对撞的极小区域可以形成瞬间的高密核物质.同时，碰撞原子核的一些动能转变为热，这就极大的提高了碰撞区的温度.在这种极端的条件下，核物质可能经历一个类似于大爆炸之后的极短瞬间的核物质状态的.
如果被另一个原子核碰撞，被激发的原子核的温度约达到5 MeV（用能量单位表示温度：1 MeV等于摄氏120亿度），这个能量可相当于原子核里的核子之间的束缚能.其结果，原子核被打成许多中等大小的碎块.确定这种激发能量和碎块核的温度后，可以划出温度随能量变化的图.最近在GSI发现，原子核显示类似于水的行为：在画能量-温度曲线时发现，随能量增长，温度的上升突然停止.这就表明，原子核被打成碎块，并最终变成单个的核子，原来“液体”核物质变成新的核子气体相.相变一旦完成，核子气体温度就会继续升.
如果在原子核碰撞期间的温度上升到50到100 MeV之间，还会有另外一种核物质形成.在这个过程中，核子明显地显现出夸克和胶子的亚结构，而这样就可以激发出上面注意到的核子共振态：碰撞核的动能大约30%转变为核子内部自由度的激发.这些核子激发态，随后就通过发射介子而衰变，因此，观测介子的产生就可以测量碰撞期间产生多少共振态.在高温区，核物质（这里可以忽略核子的内部结构）不断转变为由核子、激发的核子以及介子组成的强子物质.就强子物质来说，核子内部结构，就是它的夸克和胶子组分，决定了核子之间碰撞的过程.
原子核碰撞期间如果激发能量比较大，强子物质就有比较大的密度，其大小可达到正常核物质的许多倍.这就有可能研究强相互作用理论的基本问题：随着核子温度和密度的增加，手征对称性将恢复.手征对称性，或左手-右手对称性，是强相互作用理论或QCD的基本对称性.这个对称性在自然界中普通强子物质情况下是自发破坏，这样，强子就取我们已知的质量，比组成它的夸克的质量大两个量级.在低密度和低能的情况下，自然界中的左手和右手是可区别的，这就是为什么粒子的左右手取向与它的手征伙伴粒子是不同的道理.然而，人们期望在非常高的能量或非常高的密度时这种手征对称性将自动恢复，这意味着此时左右手已无区别.
对称性的恢复在实验上应该具有可观测的效应.例如，在非常密集和非常热的强子物质中，介子质量与自由孤立介子的质量应该有所不同.在GSI原子核碰撞试验中平均每个核子的能量达到1 000 MeV，在该实验中发现了在很热和很密物质中K介子质量具有的这种变化的最初的证据.甚至在更高的能量被称为娆的介子实验中又发现质量变化的另一个证据.在实验上探测这种质量变化是很困难的，因为粒子是在从碰撞区到记录它的探测器的路程上恢复它的原来的性质的.因此，有些观测计划设计为，在介子还处在碰撞区具有比它平常低的质量时，观测它是如何衰变为其他粒子的.为了这个目的，所需要的一些特殊的探测系统现在还在制作当中.
这些实验将大大地帮助我们认识手征对称性是如何破坏和恢复的.手征对称性的研究对于我们对强相互作用，强子质量的产生也就是核子质量的产生的问题的认识，具有基本意义.研究这个问题的意义远远超过核物理领域，像宇宙质量以及它的演变问题都依赖于核子质量的大小.
如果核碰撞的温度达到150 MeV到170 MeV之间，按照QCD，强子应该分解为它的基本组份：夸克和胶子.类似于液态水到蒸气的相变，强子物质的相再一次变到另外一个相，这时就变成夸克-胶子等离子体.这种物态不只对核物理非常有趣，而且对宇宙学也非常重要，因为宇宙学假设，在大爆炸之后大约十微秒时，原来的夸克-胶子物质经历过了一个相变，而凝聚成核子和介子.最近在CERN的实验得到了夸克-胶子等离子体存在的第一个证据.为此，要使领头的原子核以平均每个核子具有160 000 MeV能量去碰撞.用这个能量很容易达到大约150 MeV ，或摄氏18亿度这个夸克-胶子等离子体形成的临界温度.这个温度是太阳内部的十万倍.
3 稳定极限的原子核
在过去十年，对最轻的中子丰富原子核的研究已经揭示出有趣的物理现象.一些原子核常常被中子晕围绕，这种中子晕是由一个或多个中子形成的扩展壳.如果原子核最外层的中子与原子核束缚地非常弱就会出现中子晕；按照量子力学，就有个扩展波函数.有些原子核甚至有几个束缚松散的中子.例如，锂-11的两个最外层中子协调一致的运动形成了由两中子组成的晕.这就导致了类似于超导体中库珀对的被称为对关联的现象.
当积累在原子核外壳上的弱束缚中子数增加时，会发生什么现象呢？对锡元素的计算使我们期望，直到有四十个弱束缚中子可加在特别稳定的锡-132同位素上.结果，出现了全新的不寻常扩展晕的核物理效应.正如我们预期的，我们所熟悉的稳定核的壳结构将发生巨大变化.在稳定核中，与原子壳中的电子类似,大部分质子和中子都位于壳上.在晕核里,这种结构总可能被破坏，它可能被对关联破坏,被称为最外层中子的自旋-轨道作用弄得模糊.这种自旋-轨道作用依赖于粒子的自旋取向和粒子角动量方向.随着与原子核内部的距离的增加得越多，粒子密度减少得越快，其相互作用变得越强.在中子晕核以及导致原子核壳结构脆弱的态能级的自旋-轨道分裂的情况中，密度减少非常小.原子核表面的晕中子这种行为甚至能为我们提供在中子星表面的可能发生现象的信息.
另外一个有趣的问题是超重核的稳定极限.在GSI进行的实验提供了关于元素序数直到112的短寿命元素存在的证据.除了这些原子核的探测外,它们的激发结构的研究也起着关键作用.一个最新的例子是元素锘-102，到现在为止，它是以最高分辨率对它的伽玛辐射进行谱仪分析的最重原子核.研究表明，这个核不是球形的，的确变了形.核素表有个提高原子核稳定性的“脊”的第一个直接证据是：这里新发现了原子序数为106到112的元素的原子核，它是通过形变来保持稳定性的.
新的伽马探测器使我们也可能探测到变形核的长轴和短轴之比为2∶1快速转动的超变形原子核.现在的研究是瞄准轴比为3∶1超变形原子核.德国的一个研究组最近成功地探测了原子核的磁转动.
与此相反,远离稳定核的原子核构成了一个大的、新的、未研究的领域.这个领域的研究常常与人们探求爆炸核合成问题研究处在同一条道路上.在未来的十年，由于可使用寿命非常短的放射性束和最新的分析技术，将使我们勇于进入这个新的领域.
4 基本对称性和相互作用
可以产生大量极不稳定的原子核的事实，为原子核实验室开辟了新的研究基本对称性和相互作用的可能途径.长时间以来人们就知道，对原子核放射性衰变的弱作用研究，能使我们仔细地检验标准模型.例如，仔细研究弱作用可以减少可能存在的新的相互作用的可能性以及对右手玻色子的研究.到现在为止，我们只研究了作为弱力的携带者的左手玻色子.这种自然界的不对称性或许在高能时被解除.研究者希望通过尽可能精确地测量放射性衰变过程期间产生的电子和中微子的发射方向的分布，来找到右手玻色子存在的证据.为了找出是否基本对称性被破坏的答案，人们还将更深入的研究弱作用的性质.例如，时间反演对称性.如果它被破坏，对于自然界应该存在的核反应过程来说，类似于倒放电影胶片的核反应的反过程是不应该存在的.
中微子质量问题或许是粒子物理中最有兴趣的问题，有许多核物理方法被用来寻找这个问题的答案.例如，在美国、意大利、俄国和日本，他们是通过探测中微子在体积巨大的探测器中产生的核反应来寻找太阳中微子.获得的第一个信号是从太阳到达地球的几个电子中微子，其数目比人们所期望的理论计算要少.太阳中微子失踪暗示中微子可能有质量，而且也可说明从太阳到地球的路上，不同种类的中微子可能相互转变（即中微子震荡）.在意大利、加拿大和美国正在建造新的中微子探测器，这些探测器将可能直接探测到中微子振荡.最近，在加拿大SNO-探测器上进行的第一个实验给出了太阳中微子震荡的直接证据.
在俄国、德国和美国的核物理研究基础上，中微子质量的大小已经缩小到比质子质量的几十亿分之一还小.最近，用日本的超级- 神冈探测器已经证明，由宇宙线产生的地球大气μ中微子，能够转变为τ中微子.近来用 Sudberry 中微子实验室直接证明了太阳中微子在它到达探测器的路上，大部分（约60%）已经转变其他两种中微子.这个实验的分析还使用了日本超级探测器得到的关于太阳中微子的全部精确资料.这样，关于中微子质量的所有疑惑就都已消除.然而，它的质量有多少以及它们具有什么样的性质，还是完全没解决的问题.
5 宇宙中的原子核
人们是通过宇宙的传承者——化学元素，把宇宙的遥远的过去和物质的无穷深处联系起来的.这些化学元素是在巨大的、非常遥远的和长时间熄灭的恒星的很热核心处的几十亿年核燃烧过程的中产生的.这些恒星一旦最终耗尽它的燃料供应，它们就会在大爆炸中毁灭，这种大爆炸就是已知的新星和超新星［见《高能物理》1988，(1)］.这种爆炸把重元素的原子抛向遥远的空间.这些播散出的物质以及作为红巨星阶段丢失物质的小恒星，在星际空间遍及整个时间的积累形成了气体云.这种气体云慢慢地收缩，最后导致新的恒星的诞生——这种恒星的循环演变至今还在出现.
在早期宇宙的高温、高密阶段，温度比一千万度还高的恒星内部以及巨大的灾变超新星爆炸，只有考虑强相互作用、弱作用以及核物理过程才能描写.这不仅能解释天文物理现象的演变过程，而且也能解释我们的宇宙传承物——化学元素的丰度.化学元素来源的定量解释是核天文物理学研究的课题.这是个天文物理和核物理联合研究的领域，而最初的目的有三个：
为了更好地认识太阳和恒星演变阶段的燃烧过程，研究原子核之间在非常低的能量下是如何起反应的；
为了加深我们对新星和超新星的爆炸核合成的认识，研究被放射线束轰击时的原子核的行为；
为了更好地认识超新星爆炸的动力学和中子星的行为，试图决定高密核物质的状态方程.
太阳和它的行星大约是在五十亿年以前诞生的.我们体内每一个分子都含有在恒星中心经历过一次高温高压锻造出的物质.这是我们血液中的铁、空气中的氧、我们身体组织中的炭和氮，以及骨骼中的钙等的来源.所有这些元素都是由恒星内部的核聚变反应生成的——在大爆炸中是从最初产生的最轻的元素——氢开始的.
在新星、超新星和X-射线爆炸的核合成期间的核反应与元素周期表中稳定核的核反应是非常不同的.最新的天文观测已给我们一个展现这些过程新特征的测量参数的变化范围.为了达到定量的认识，必须要知道核反应过程发生的细节.借助于今天可利用的强放射源，在实验室中实验标度再生了这个反应.这方面的一个例子就是不稳定钛-44核的核反应研究，这给我们带来了洞悉超新星动力学的机会.
当恒星内部核燃烧阶段结束时，恒星走完它的全路程，就会出现超新星爆炸.这是因为所有核燃料通过核聚变都转变为具有最强束缚能的元素，它已不可能再产生核能量.这种恒星内部有个由铁元素构成的核心，在它自己的引力作用下最终坍塌为超新星(见《高能物理》1988，(1)：14］.由于核力的作用，同时也产生巨大的反压强.一旦核心区收缩到它可能的收缩时，如果收缩破裂，就能够出现反冲，这时坍塌过程就发生逆转.按照现在的观念，这个极热的核心区放出的由无数个中微子组成的中微子流撕裂了恒星的壳，结果产生了超新星爆炸，最后剩下了中子星.随着它的密度和压强的变化而使其非常热和非常密的核心区的压强变化，这对爆炸过程的发展具有决定性的意义.对核物理挑战的问题之一是认识这种压强的变化与爆炸过程的关系，也就是核物质的状态方程.
天文物理学建立了微观，也就是宇宙物质基本组分与宏观宇宙以及它的结构之间的联系，这就使我们能够深刻洞悉宇宙之谜.然而，同时还存在一些未解决的基本问题和未解释的现象，并向天文物理提出了挑战：
太阳中微子问题表明了我们还没完全认识我们自己的恒星——太阳；
我们不完全知道为什么形成和怎样形成太阳系的；
我们还不了解在实验室中对原子的电子壳的观测到的许多效应以及这些效应对恒星等离子体过程的影响；
我们不知道超高能宇宙辐射是从哪来的，它们是由什么组成的，是什么把它加速到如此高的能量；
高密核物质的状态方程，对于认识超新星动力学和中子星的质量来说，这是个重要的问题，我们也完全不知道；
我们不知道暗物质是由什么做成的，以及它对宇宙的演变有什么影响；
我们只知道化学元素的近似年龄也就是宇宙的近似年龄.
我们现在的宇宙图像是不完整的，毋容置疑，还将长期保持这种状况.然而，根据未来新的发现，这个图像将继续改进.在未来，人们将得到更有意义，同时又比较简单的宇宙图像.正像过去那样，“宇宙中核物质”的研究将做出决定性的贡献.
来源： 中国物理教育网 |
