原子核物理论文2000字

原子核物理论文2000字

核物理是研究射线束的产生、探测和分析技术;以及同核能、核技术应用有关的物理问题。下面我给大家分享一些核物理学术论文，大家快来跟我一起欣赏吧。

激光核物理

摘 要 在最近十年,激光技术有了长足的进展,激光的强度超过了1022W/cm2, 激光的电场达到~4×1012V/cm.当这种高强度的激光照射在靶上时,可以产生许多由激光产生的核反应现象.在这篇 文章 中,作者回顾了这一领域的 研究 进展,并对在不远的未来激光产生 电子 ?质子?中子?X射线和正电子 发展 的潜力进行了一些讨论.

关键词 啁啾脉冲放大,粒子云,正电子发射层析术,库仑爆炸

1 什么是

最近十年中,激光技术有了显著的进展,激光强度已超过1022W/cm2,激光的电场强度达到3.8×1012V/cm,比氢原子中电子玻尔轨道上的库仑场大759倍,相当于在原子大小上相应加上约40kV的电压,在原子核大小上相应加上约0.38V的电压,在这种很强的电场作用下,所有的原子都会在极短的时间内被电离,产生从几个MeV到几百MeV的质子,几十MeV到GeV的电子和其他粒子,以及韧致辐射和中子,这些粒子可以产生核反应,打开了核物理以及非线性相对论光学研究的新领域[1—3].

在今后的十年中,激光强度可能会提高到1026—1028W/cm2,这样高强度的激光可以将粒子加速到1012—1015eV,并将成为研究粒子物理?引力物理?非线性场论?超高压物理?天体物理和宇宙线研究中的一个有力工具[1].

超高功率超短脉冲激光技术的发展,在实验室中创造了前所未有的极端物态条件,如高电场?强磁场?高能量密度?高光压和高的电子抖动能量?高的电子加速度,这种极端的物理条件, 目前 只有在核爆中心?恒星内部?星洞边缘才能存在,在它和物质的相互作用中,产生了高度的非线性和相对论效应,产生了崭新的物 理学 领域,也为多个交叉学科前沿研究领域带来了 历史 性的机遇和拓展的空间.

2 国内外研究现状

当前国际上已经在一些实验室中建立了几十TW到几个PW的激光系统,在上世纪80年代中期,以前激光的强度长期停留在1014W/cm2左右,这是由于非线性吸收效应随着激光强度的增加而迅速增强,在80年代中期之后,由于采用了啁啾脉冲放大技术(chirped pulse amplification, CPA),激光强度提高了6—7个数量级,在CPA技术中,一个飞秒或皮秒的脉冲通过色散的光栅对在时间尺度将它展宽了3—4个数量级,这样就避免了放大器的饱和以及在很高强度时由于非线性效应产生的光学放大器件的损伤,在经过放大以后,再由另一光栅对将脉冲宽度压缩回到飞秒或皮秒宽度,以获得1019W/cm2到1022W/cm2的靶上功率密度.CPA超短脉冲TW的激光装置在法国光学 应用 研究所?瑞典Lund大学?德国Mark-Plank研究所?德国Jena大学?日本JAERI和 中国 工程物理研究院?中科院上海光学精密机械研究所?中科院物理研究所?中国原子能 科学 研究院等都建有.日本原子能研究所采用变形镜和CPA相结合的技术,运用低f值的抛物面镜,将激光聚焦于1μm的斑点,可以进一步提高焦斑上的功率密度,但是由于放大介质的单位面积上的饱和能量通量和光学元件的损伤阈值的限制,单位面积上最大的光强度?I??th?=hν3σΔν?ac2?,这个数值约为10?23?W/cm2.美国LLNL正在计划建造10?18?W(exawatt)和10?21?W(zettawatt)的激光装置,以期获得1026W/cm2 —1028W/cm2的靶上功率密度.

高强度的激光可以引起许多核反应,当激光强度I>10?18?W/cm2时,在激光电场做抖动的电子能量达到0.511MeV,产生了相对论等离子体.运用强激光在等离子体中产生的尾场去加速电子,如用一台紧凑型的重复频率的激光器可以产生200MeV的电子.这种激光等离子体型的加速器具有比通常电子加速器高出1000倍的加速梯度,即达到GV/m.运用高强度?单次脉冲的激光也获得了100MeV的电子,并测量到它的韧致辐射.超短超强激光还可以产生质子束,并开始运用这些质子束产生正电子发射层析术(positron emission tomography,PET)所需要的短寿命的正电子放射源,一种用激光来产生的小型化的和 经济 的质子产生器有望在未来用于质子治癌.运用超短超强激光直接产生正电子已在英国卢瑟福实验室开展,他们用重复频率的TW级的激光,打在高Z元素的靶上得到每脉冲2×107个正电子,它对于基础研究和材料科学很有用途.通过超短超强激光和氘团簇的相互作用,产生聚变反应的中子,其中子产额可以达到105中子/焦耳,激光产生中子的能量效率已达到世界上大型的激光装置的水平,它可以成为台面的中子源,由于其中子脉冲通量高,但总的中子剂量很小,适合于生物活体的中子照相和材料科学的研究.运用超短超强激光和氘化聚乙烯作用产生中子,Hilsher等人用钛宝石激光(300mJ, 50fs, 10Hz, 10?18?W/cm2) 轰击氘化聚乙烯靶,产生104中子/脉冲.运用超短超强的激光在相对论性的电子上的散射,产生几百飞秒?几十埃的硬X射线,可以用来研究材料和生命科学的一些 问题 ,这种超快的硬X射线源对于研究一些高Z物质和时间分辨的超快现象具有重要的意义.超短超强激光所产生的高能电子,在物质中产生高能X射线,可以在裂变物质铀中引起裂变,并在裂变靶中探测到许多裂变产物.在激光的强度达到1028W/cm2时,电场强度只比Schwinger场(真空击穿场强)低一个数量级,在这样的场中,由于真空的涨落被激发,激光就有可能从真空中产生正负电子对,美国Lawrence Berkerly实验室在SLAC高能加速器上,用10?18?W/cm2的激光束和聚焦性能很好的46.6GeV的电子束相碰撞,产生了200多个正负电子对,这是由于在反向相碰的电子和激光中,从电子的坐标系来看,激光的场强增强了Lorentz因子倍,以至于可以远远地超过Schwinger场值,直接从真空中产生一些电子对.

3 新的科学研究的 内容 ,新的交叉点

3.1 激光产生高能电子[4—7]

产生高能电子的机制有两种:第一种是在激光场作用下,电子做抖动运动,在激光强度I=10?20?W/cm2时,电子抖动运动能量能达到10MeV;第二种是由非线性效应所产生的能量比较高的部分.用300J,0.5ps的激光照射在厚的金靶上,测量到的电子能谱分布基本上由两个部分组成:一部分是由有质动力产生的,它的能量在20—30MeV以下,还有一部分就是由非线性效应产生的几十MeV以至100MeV以上的高能量的电子,并和粒子云(particle in cell,PIC) 的 计算 结果符合,目前加速电子最高能量已达1GeV.能散度可达3% .

当激光的强度增加时,光波的压力变得很大,光压推着电子往前走,光波就像一个光子耙将等离子体中的电子推到脉冲的前面积累,形成电子的“雪耙”(snow plow) ,在这种“雪耙”加速中,电子的动能得到增益.在综合了光压作用和激光场的作用后,计算得到在激光强度为I=1026W/cm2时,加速梯度可达200TeV/cm,如果加速长度达到1m,电子能量为2×10?16?eV,在I=1028W/cm2时,加速梯度可达2peV/cm,加速长度为1m时,电子能量为2×10?17?eV,可以用来研究高能物理中的许多问题.

3.2 激光产生质子束[8,9]

在激光等离子体中,在I=10?20?W/cm2的情况下,加速质子的能量可以高达58MeV.加速梯度约为1MV/μm.质子被加速的距离只有60μm左右,如何增长加速距离成为非常重要的研究内容,加速质子的机制是相当复杂的,也提出了一些加速模型的设想.实验上的研究结果已显示它存在很好的应用前景.这表现在:

(1) 激光能量转换成质子束能量的效率是高的,而且和激光的能量有关,在激光脉冲能量为10J?宽度为100fs时,转换效率为1%,当500J?500fs时,转换效率为10%,人们已经获得了10?13?质子/脉冲,质子脉冲宽度约1ps,相当于10?25?质子/秒,即?1.6×?106A的脉冲质子流.

从 理论 到实验应该研究如何进一步提高能量转换效率的问题,尤其是当激光能量进一步提高时,转换效率是否还继续上升.

(2) 质子束的发散角比较小,观察到的横向发散角为0.5mm·mrad,比通常加速器上加速的质子束的发散角小.

(3) 高能质子束的获得可能会在今后的十年中实现,按照Bulanov等人的计算结果,在I=10?23?W/cm2时,质子可以被加速到1GeV以上,在I=1026W/cm2和1028W/cm2时,质子能量可以达到100GeV和 10TeV.

(4) 目前已获得几十MeV的质子束,并已用于为PET产生?18?F等短寿命的正电子源,在英国Rutherford实验室的Vulcan装置上,在20分钟内制备了109Bq的?18?F源,已经可以用在PET上.

(5) 产生200MeV的质子,并用于质子治癌,由于它在能量沉积上的优越性能,以及整个装置可以做得小,成本低,所以在治癌应用上很有发展前景,并可应用于中子照相.目前由激光加速产生的质子的能量分散度为17%.治癌应用要求能散度≤3%左右,因此减少能散度的工作在一些实验室正在进行中.

3.3 激光产生中子[10,11]

超短超强激光加热氘团簇产生核聚变,已经产生了104中子/脉冲或105中子/焦耳,从激光的能量转换成中子的效率看,和美国LLNL上的大型激光器NOVA上的每焦耳激光的中子产额相当,比日本大阪大学的大型激光装置Gekko 12上的数值大一个数量级,因此是一种很有 发展 前景的桌面台式的中子发生器,因为这种中子源的时间宽度只有1ps,是一个高中子通量的中子源,可用于材料 科学 和中子照相.

氘的团簇在吸收激光能量后要发生库仑爆炸,应该说到现在为止对于库仑爆炸的机理理解尚不非常清楚,尤其是团簇爆炸后产生的氘分子和氘的小团簇如何产生氘-氘的聚变反应也缺乏细致的了解,在进一步的改进方面,还有发展的余地,例如,如何采用多束的超短超强激光同时照射团簇,或用大于50T的脉冲磁场去推迟热等离子体的解体时间,以增加中子产额.

利用超短超强激光和氘化聚乙烯作用来产生中子,Hilsher等人用钛宝石激光(300mJ,50fs,10Hz,10?18?W/cm2)轰击氘化聚乙烯靶也产生了104中子/脉冲,大约每焦耳的激光产生3.3×104中子.Disdier等人用20J,400fs,5×1014W的激光辐照CD?2靶,获得107中子,每焦耳激光产生了3.5×105中子,这是很高的中子产额,他们还要用500J,500fs,1pW的激光照射CD?2,以获得更多的中子.

在激光辐照CD?2平面靶时,除了要 研究 激光能量在CD?2靶上的能量沉积的分布外,如何充分地利用沉积的能量是一个很重要的 问题 .沉积的能量有很大一部分要转变成等离子体的动能,在平面靶的情况下,如何设计靶面形状,以最大限度地使等离子体的动能对D-D反应做贡献.

3.4 激光产生硬的超短(~100fs)X射线[12]

用超短超强激光(50mJ,0.5TW,100fs)和50MeV的 电子 束散射可以产生4nm,300fs的硬X射线,虽然转换效率不高,但产生的X射线强度可以在Si表面产生衍射峰,可以用来研究Si表 面相 变过程(从固相→熔化过程)的时间分辨的研究,也可以研究蛋白质折叠动力学,蛋白质的折叠时间为1ns,用300fs的硬X射线可用来了解它的折叠过程中的状态.

3.5 激光产生正电子[13,14]

将具有几个MeV的电子,经过很好地准直后,射到一个高Z的靶上,通过Trident过程(Z+e-→Z′+2e-+e+)和Bethe-HEitler过程(Z+r→Z′+e-+e++r′)产生正电子,采用重复频率的超短超强激光和高Z靶的相互作用,每脉冲可以产生2×107个正电子,经过慢化后,储存在磁场中,它对于基础科学和材料科学的研究是很有用的.

4 主要存在的问题和 分析

这门新兴的交叉学科在国际上也只有十多年的 历史 ,但发展十分迅速,搞激光技术和原子核物理的科学家们已经开始在一起召开学术研讨会,共同参加一些实验,由于它是一个新的生长点,发展比较快,也比较容易发现一些新现象,所以合作的积极性也在日益增长.随着超短超强激光技术的发展,在粒子加速?核物理?甚至粒子物理方面可以做出一些很好的工作来.我国发展的情况有些滞后,学科之间的交叉和合作还没有真正形成,学科之间的了解和交流还不够,因此只在交叉学科的边缘上做了一些工作,按照我国在激光技术和核物理方面的力量来说,都应该有可能做出更多更好的工作. 目前 具有超短超强激光装置的研究单位并不少,但将它们运行好,做出好的物理工作的成果并不多.

国内的情况也和国际上相似存在着一个问题,即搞强激光技术的专家和搞核物理和粒子物理专家之间的交流?讨论不够,这就会 影响 这一交叉学科的发展.

从强场物理到超短超强激光技术,到 应用 于各个领域,在世界上是基础科学和技术进步相互推动,相互作用的一个范例,基础研究的需求,以及光学科学的基础,非线性科学的基础,促进了超短超强激光技术的发展,而高强度激光的发展又为物 理学 的发展提供一个崭新的世界.

参考 文献

[1] Tajima T, Mourou G. Physical Review Special Topics\|Accelerators and Beams, 2002, 5:037301

[2] Mourou G, Tajima T, Bulanov S V. Reviews of Modern Physics, 2006, 78: 309

[3] Lee mans W P et al. Nature Physics, 2006, 2: 696

[4] Thomas Katsouleas. Nature, 2004, 431: 515

[5] Mangles S P D et al. Nature, 2004, 431 :535

[6] Geddes C G R et al. Nature, 2004, 431: 538

[7] Farue J et al. Nature, 2004, 431:541

[8] Wilks S C et al. Physics of Plasma, 2001, 8:542

[9] Schwoerer H et al. Nature , 2006, 439: 445

[10] Perkins L J et al. Nuclear Fusion,2000, 40:1

[11] Zweiback J et al. Phys. Rev. Lett.,2000, 85:3640

[12] Kmetec J D et al. Phys. Rev. Lett.,1992, 68: 1527

[13] Gahn C et al. Appl. Phys. Lett., 2000,77 : 2662

[14] Gahn C et al. Phys. Rev. Lett., 1999, 83 :4772

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例子


原子核和强相互作用物质的相变[1]刘玉鑫，穆良柱，常雷
1．北京大学物理系, 北京100871
2．北京大学重离子物理教育部重点实验室，北京100871
3．重离子加速器国家实验室理论核物理中心，兰州730000

摘要：简要回顾原子核和强相互作用物质的相结构及相变研究的现状。说明原子核和强相互作用物质的相结构和相变的研究是原子核物理、粒子物理、天体物理、宇宙学和统计物理等领域共同关心重要前沿领域，到目前为止已取得重大进展，但无论是具体实际问题还是研究方法等方面都需要系统深入的研究。
关键词：原子核物理；强相互作用物质；相与相变

1 引言
100年前，爱因斯坦通过分析充满空腔的辐射系统的熵与充满空腔的气体系统的熵，提出电磁辐射由光量子组成[1,2]，从而建立了光子的概念，吹响了引导人们探索微观世界的冲锋号。进一步的深入研究表明，组成物质世界的粒子可以分为强子和轻子两类，粒子间的相互作用可以分为引力作用、电磁作用、弱作用和强作用4类。参与强相互作用的粒子或具有强相互作用的系统统称为强相互作用物质（包括强子物质、夸克物质等）及其特殊形式——原子核（由有限个强子组成的系统），对原子核和强相互作用系统的相结构及相变的研究，对于认识强相互作用系统的相结构、相变，了解宇宙的起源和演化至关重要，并且可能是有限系统的统计物理的检验平台。因此，近年来关于原子核和强相互作用系统的相变的研究不仅是原子核物理、天体物理、宇宙学及粒子物理等领域研究的重要前沿课题，还引起了有限量子多体系统领域和统计物理学界的极大关注。本文简要介绍原子核及强相互作用系统的相及相变研究的现状。
2 原子核的相及相变
2.1 原子核的单粒子运动与集体运动
原子核是有限数目的强子组成的束缚系统，其中的核子（质子和中子）自然具有单粒子运动，并建立壳模型成功的描述原子核的相应性质。实验上对原子核的能谱和电磁跃迁等的研究表明，原子核还具有整体运动，并建立了原子核具有形状和振动、转动等集体运动模式的概念。人们通常利用将核半径按球谐函数 展开来描述原子核的形状，并将相应的形变称为 极形变（如图1所示）。已经观测到和已经预言的原子核形状多种多样[3,4]，比较重要的是四极形变，实验上已经观测到的最高极形变是16极形变[3,4]。按照壳模型和集体模型的观点， 幻数核多为球形， 而偏离满壳的核则为形变核，形变核可以细分为长椭球形、扁椭球形、三轴不对称形、梨形、香蕉形、纺锤形等。同时原子核还可能有形状共存现象。

图1 时原子核的 极形变的形状示意图（取自文献[3]）
Fig. 1 Sketch of the shape of a nucleus in -pole deformation with ( taken from Ref. [3] )
近年来的研究表明，在较高激发能和较高角动量情况下，原子核的集体能谱消失，即出现带终结现象[5]，这表明发生了由集体运动到单粒子运动的相变。
2.2 原子核的形状相变
原子核形状的研究一直是原子核结构理论中一个重要的问题，这是因为原子核形状与原子核组成成分及其两种运动形式--集体运动和单粒子运动、中子质子比、角动量、激发态能量和核环境的温度等都密切相关。例如，集体模型中计算单粒子运动时常用的变形平均势就和核形状有关，不同形状原子核的集体运动模式各不相同[6]；同时原子核的形状由所有核子的空间分布决定，而且随集体运动模式的不同而变化[7]。另一方面，原子核的形状和一定的动力学对称性相联系[4]，核形状变化与原子核的动力学对称性的破缺相联系。原子核的形状发生变化表明其状态和性质发生了变化，也就是发生了相变。因此，原子核的形状相结构和相变的研究是原子核结构研究的重要内容。由于形状共存可能是单粒子运动和集体运动较强耦合的结果[7]，因此形状共存也是核形状研究中关注的焦点[8]。
早期对于原子核形状相变的研究大多集中在一系列同位素或同中子素的基态[4,9]，基态核的形状相变普遍存在于各个质量区[3]，近年来关于临界状态对称性和三相点的研究[10-16]以及对超重核的形变和形状共存的研究[17]，极大地丰富了基态和形状相变的研究内容。另一方面，由于实验上g-射线探测器阵列技术的进步，使得我们不仅可以对原子核基态的形状进行研究，而且可以对激发态、尤其是高自旋态的核形状进行研究。激发态核的形变则更富含物理内容, 如超形变带、回弯现象、同核异能态等都和形变直接相关；2003年观测到的沿Yrast带出现的集体振动模式到定轴转动模式的变化表明低激发态中可能存在转动（或角动量）驱动的由球形（振动）到长椭球形（定轴转动）的形状相变[18]。
对于原子核基态形状的研究通常采用的理论模型有集体模型[6]、相互作用玻色子模型(IBM)[4]、Hartree-Fock-Bogoliubov(HFB)方法[19], 另外还可以使用热力学统计理论[20]。而对于原子核激发态的形状的研究则采用Landau相变理论[21]、有限温度推转HFB[22]、推转IBM[23]等。在这些方法中，集体模型有比较直观的几何图象，但是缺乏微观机制；而微观理论没有直接的几何图象。由于IBM既有较好的微观基础[24]，又可以由相干态理论建立直观的几何图象[4]，所以IBM理论在原子核的形状相变研究中得到了广泛的应用。
早期利用IBM对原子核基态的形状相变的研究可以归纳为Casten三角形[4]，近年来Iachello利用几何模型对原子核基态形状相变的研究将Casten三角形扩展到四面体[25]，如图2所示。图中三个顶点对应IBM的U(5)、SU(3)、O(6)三种对称性极限，另一个顶点对应SU*(3)对称性（将SU(3)的生成元 中的 替换为 ）。由相干态理论知，U(5)、SU(3)、SU*(3)、O(6)对称性分别对应球形、轴对称长椭球形变、轴对称扁椭球形变、g-不稳定形变[4]。并且，沿球形到g-不稳定形变的相变为二级相变，临界点附近的核态具有E(5)对称性[10]；从球形区到长椭球形变区的相变为一级相变，临界点附近的核态具有X(5)对称性[11]；还存在球形、长椭球形和g-不稳定形变三相共存的三相点[15,16]。此外，长椭球形变与扁椭球形变之间的临界点附近的核态具有O(6)对称性[12]、Y(5)对称性[13]，也有人认为长椭球与扁椭球形状相变临界点附近的核态还可能具有Z(5)对称性[14]。理论上发现形状共存和各种临界点对称性之后，很快就在实验上找到了对应的原子核。如152Sm可能有形状共存现象[26], 与E(5)对称性对应的原子核有134Ba[27]、108Pd[28]、130Xe[29]等，与X(5)对称性对应的原子核有152Sm、154Gd、156Dy和其他N=90的同中子素链[30]，与Y(5)对称性对应的原子核有166,168Er[31]等，与Z(5)对称性相对应的原子核有194Pt等[25]。同时，类似Iachello四面体的工作很快被推广到区分质子玻色子和中子玻色子的IBM-2[32]，同样成功的找到了各种极限对称性之间的相变。

图2 扩展的IBM的对称性间的演化图（取自文献[25]）
Fig. 2 Extended sketch of the symmetries and their evolution in the IBM ( taken from Ref. [25] )

对于角动量变化可能引起的原子核形状相变，早期的研究主要基于液滴模型[19]。近年来，人们开始利用Landau相变理论[21]、有限温度推转HFB理论[22]、推转IBM[23]、推转无规位相近似[33]以及IBM框架下考虑角动量投影的相干态方法[34,35]进行研究，结果表明即使是核的低激发态也可能存在各种形状之间的相变，并说明低激发能谱中出现振动到定轴转动的相变的机制可能是，随着角动量升高，振动逐渐减弱，转动逐渐加强，临界点以后成为很好的定轴转动。另一方面，直接从核子层次对原子核形状相变的研究也已取得进展[36]。
3 强相互作用物质的相变
3.1 原子核的液气相变
早在20世纪30年代，根据实验观测到的原子核的性质，人们就对原子核的结构提出了费米气体模型和液滴模型。这说明在某些条件下，原子核呈液相，或者说其某些性质表现为液相的性质；而在另一些方面，原子核表现为气相。在这一层次上，所谓的“液相”和“气相”只是作为原子核的不同性质的唯象表述，根本没有关心这两种相之间的演化。
到20世纪90年代中期，随着中高能核核碰撞研究的深入，人们研究了核核碰撞形成的系统的温度与其中核子的激发能之间的关系，最早的由德国GSI报告的结果[37]如图3所示，这一关系显然与通常物质处于液相、气相及其间相变中温度与单粒子平均能量间的关系相同，从而说明发生了液气相变。由于相变通常由热力学函数和状态方程出发进行研究，原子核的液气相变自然成为研究核物质状态方程、进而研究核天体状态及其演化的突破口。于是，美国Brookhaven国家实验室、Lawrence国家实验室、Michigan州立大学、德州农机学院、俄罗斯的Dubna、德国的GSI、法国的GANIL和LNS Saclay、意大利的del Sud国家实验室等国际大型实验室的核物理学家系统研究了中高能核核形成的系统的温度与单粒子激发能的关系、热容、高碎裂多重度、集体膨胀、有限尺寸及Fisher定律标度等[38～41]，理论上发展了核玻尔兹曼方程[42]、有限系统费米子-分子动力学[43]、全反对称分子动力学[44]等方法、并利用渗渝理论[45]对这些系统进行研究，结果都表明，在一定的条件下，中高能核核碰撞形成的系统中都会出现液气相变，并说明该相变的机制是失稳分解。事实上，这些研究还都有待深化，尤其是相变的序参量、同位旋依赖性、相变的临界温度、对核天体的结构和演化的影响等都是目前研究关注的重要问题。
图3 核核碰撞形成的系统的温度与单核子能量的关系（取自文献[37]）
Fig. 3 Relation between the temperature and the energy of single nucleon of the system formed in nucleus-nucleus collision (taken from Ref. [37])3.2 强相互作用物质的相变
强相互作用物质是由强子（包括重子和介子）组成的强子物质和由夸克、胶子组成的夸克物质的统称。因此，对强相互作用物质的组分、性质、相结构及相变的研究是当代原子核物理、粒子物理、天体物理和宇宙学等领域共同关注的重大课题。
我们已经知道，强子由夸克和胶子组成，并且可以形象地将之比喻为束缚有夸克和胶子的口袋，口袋内的夸克、胶子的相互作用与强相互作用真空内的作用之间的差异提供的袋常数常被用来描述束缚的强度。随着强子物质系统温度的升高，强子无规则运动的能量和其内部夸克、胶子无规则运动的能量都会升高，压强会增大；系统密度的增大也会引起压强增大，当系统的真空压不能平衡强子内部的压强时，强子将消失，夸克和胶子将成为夸克物质，也就是可以发生退禁闭相变。退禁闭形成的夸克物质可能以等离子体状态存在，从而形成夸克胶子等离子体（QGP）。另一方面，描述强相互作用的基本理论是量子色动力学（QCD），QCD具有渐近自由的性质（上述退禁闭相变正是渐近自由的结果和表现），并且零质量的费米子（夸克等）具有左旋和右旋的等价性，这种等价性称为手征对称性。然而，现实的强子世界处于低能区域，夸克是禁闭的、有质量的，并且不具有手征对称性。但当退禁闭相变发生以后，手征对称性可能恢复，从而发生手征恢复相变。再者，我们知道，由于电声作用的相互影响，声子可以为电子之间提供一个较弱的吸引力，从而形成电子库珀对，出现超导现象；由于夸克之间的特殊的相互作用道本来就是吸引的，因此夸克之间也可以形成夸克库珀对，由于夸克具有3种颜色，3种色混合或一种色与其反色混合形成无色的强子，但两个夸克形成的对却带有颜色，因此由夸克库珀对形成的凝聚状态称为色超导态[46]。根据色超导态的夸克库珀对的色味结构，色超导态具有两味色超导、色味锁定色超导等多种相（有时简单地统称之为色超导相）。目前的研究表明，强相互作用物质的相图如图4所示。
图4 强相互作用物质相图（取自）
Fig. 4 Phase diagram of strong interaction matter (taken from )

由于QCD具有渐近自由的性质，因此，对于高能区的场和粒子性质，可以利用微扰QCD进行研究，并得到了很好的结果。但对于低能区域，QCD的求解问题尚没有解决，于是人们发展了QCD因子化和重求和（硬热圈展开和硬密圈展开）方法[47]，并利用QCD的非微扰有效场论模型方法和唯象模型方法（Dyson-Schwinger方程、瞬子模型、整体色对称模型、手征模型、孤立子模型、夸克介子耦合模型、NJL模型、袋模型）[48～54]等对强相互作用物质进行理论研究。近年来，随着对基本原理的扩展和计算方法的发展，利用格点QCD对强相互作用物质的研究已有重大进展[55]。实验上，人们利用高能核核碰撞对强相互作用物质及其相变进行研究。目前，美国Brookhaven国家实验室的AGS和RHIC、欧洲核子中心的SPS等大型高能核核碰撞装置都已为强相互作用物质的研究作出了重大贡献，即将开始运行的欧洲核子中心的LHC和正在兴建的德国GSI的SIS将为强相互作用物质的研究揭开新的一页，我国在兰州兴建并即将运行的CSR装置也将为强相互作用物质的研究谱写新的篇章。尽管对强相互作用物质的相结构和相变的研究已取得丰硕成果，但仍有很多重大基本问题（例如手征对称性破缺和恢复的机制、过程和准确信号、费米子质量的起源、QGP的准确信号和鉴别、强子物质和夸克物质的状态方程，等等）需要研究。
4 小结
综上所述，原子核和强相互作用物质的相结构和相变的研究是原子核物理、粒子物理、天体物理、宇宙学和统计物理等领域共同关心的重要前沿领域，尽管已取得重大进展，但无论是实际问题还是研究方法都需要系统深入的研究。

参考文献[1] EINSTAIN A. Ann. Phys[J]. 1905 (17): 132-148； G. N. Lewis, Nature [J]. 1926 (118): 874.
[2] ZEILINGER A., WEIHS G., JENNEWEIN T., ASPELMEYER M., Nature[J]. 2005 (433): 230.
[3] LUCAS R. Europhysics News[J] 2001(31).
[4] IACHELLO F ,Arima A. The interacting boson model[M].Cambridge: Cambridge University Press, 1987.
[5] AFANASJEV A V，FOSSAN D B， LANE G J， RAGNARSSON I., Phys. Rept[J]. 1999(322): 1.
[6] BOHR A.， MOTTELSON B. R. Nuclear Structure[M]( husetts :W. A. Benjamin, 1975, 1-748.
[7] GREINER W, MARUHN J. A. Nuclear Models[M] Berlin:Springer, 1996, 47-53.
[8] HEYDE K, JOLIE J., FOSSION R., BAERDEMACKER S De, HELLEMANS V. Phys. Rev[J]. 2004( C 69): 054304.
[9] CASTEN R. F. KUSNEZOV N. V..Phys. Rev. Lett[J]. 1999(82): 5000.

Phase Transitions of Nucleus and Strong Interacting Matter
LIU Yu-xin 1,2,3，MU Liang-zhu1，CHANG Lei1

1. Department of Physics, Peking University, Beijing 100871,China
2. The Key Laboratory of Heavy Ion Physics at Peking University, Ministry of Education, Beijing 100871,China
3. Center of Theoretical Nuclear Physics, National Laboratory of Heavy Ion Accelerator, Lanzhou 730000,China
Abstract: We review the status of the research on the phase structure and phase transitions of nucleus and strong interacting matter briefly. It shows that the related studies are the very active current frontier commonly interested by nuclear physics, particle physics, astrophysics, cosmology, statistical physics and other areas. A lot of significant progress has been made. However, not only concrete problems but also researching approaches need to be studied further.
Key Words: nucleus, strongly interacting matter, phase and phase transition