近日，应《自然综述·物理》（Nature Reviews Physics）杂志邀请，北京大学物理学院、核物理与核技术国家重点实验室叶沿林教授和杨晓菲教授联合日本理化学研究所仁科加速器科学研究中心Hiroyoshi Sakurai教授和美国橡树岭国家实验室胡柏山博士后研究员，共同发表了题为“奇特原子核物理”（Physics of exotic nuclei）的综述文章。
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原子核是由质子和中子（统称核子）组成的量子多体复杂系统，通过基于核子-核子强作用的整体平均场与局部少体关联结合而成。除可以长期稳定存在的近300种核素之外，实验室目前能够产生的短寿命不稳定原子核（奇特原子核）已达3300个以上。它们大多数是最近30来年各科技强国利用迅速发展的放射性核束装置产生的，也成为当今和未来几十年核结构与动力学研究的主要对象。近年来在不稳定核区的主要科学发现包括丰富多彩的晕和集团结构、壳演化和新幻数、新的集体运动模式、与连续态强关联的开放量子系统特征、新的反应和衰变机制等。由于自然界和人工的核能与核物质循环大多经过不稳定核区，奇特原子核的研究也具有特殊的战略需求价值。
三十年多年来，不稳定核物理领域快速发展，其中各分支已有相当数量的综述文章，但尚缺少全领域比较完整的综述。为此，具有广泛影响的《自然综述·物理》杂志邀请叶沿林和杨晓菲牵头撰写和发表了奇特原子核物理领域的系统性回顾和展望。该文章内容分为引言、核力与理论模型、壳结构及其在奇特核区的演化、质子和中子滴线区物理、原子核中的集团结构和展望。作者阐述了以下要点：
（1）核物理实验可研究的核素版图在过去三十年中快速扩大，预计未来20到30年将能够探索更加广阔的未知核素版图区域；
（2）在远离稳定线核区已经发现了一系列原子核奇特结构和动力学机制，展示了受核力支配的开放量子系统的特征及其与连续态的强耦合；
（3）对丰中子不稳定核的研究与若干交叉领域重大科学问题紧密相关，包括认识自然界的重元素起源、寻找达到超重核“稳定岛”的路径以及理解宇宙中正反物质不对称谜题等；
（4）当今国际范围内一批新型放射性核束装置正在或即将投入运行使用，这将为探索核素未知版图提供强大的工具；
（5）要实现中-重质量区更丰中子核素的探索，还需要投入更多的实验和理论研究力量，预期在这片区域发现更加迷人和重要的新现象和新应用。
原子核版图与若干特征结构和过程：自然界存在的稳定和长寿命核（小黑方块）；人工产生并实验观察到的不稳定核（蓝色区域）；理论预言的不稳定核（黄色区域）；右侧小图里的绿色椭圆区表示壳模型预言的超重核“稳定岛”；粗箭头表示元素生成的主要核天体过程；各区域发现的核结构特征用相应的小图展示；两条红色带子是对未来的展望（见下文表述）。图中p为质子，n为中子，s-process为慢中子俘获过程，rp-process为快质子俘获过程，而r-process为快中子俘获过程。
上图中，红色带子主要表示对未来的展望。从实验探测和物理特征的角度，对中-重质量丰中子核的研究大体可以划分为红色带子表示的两个区域。区域1处于稳定线和滴线之间的过渡区，这里的原子核一般还有毫秒以上的寿命，因此在放射性束装置上还能以较大的数率产生从而开展比较深入的实验研究。这个区域的核结构可能仍具有平均场壳模型描述的特征，但少数核子的局部关联会逐步增强，因此需要核力和核结构模型的系统性改进。此区域核素的研究尤其对上述要点（3）提到的交叉领域重大科学问题的解决具有关键作用。考虑到这些问题对高精度测量的要求，能够提供高品质束流的在线同位素分离（ISOL）型装置具有优越性。区域2处于极端远离稳定线的中子滴线区，这里的原子核寿命极短，主要只能依靠在束 (in-flight）产生、分离和测量技术来研究。这里的原子核可能呈现全新的结构自由度，如厚中子皮或中子对增强的表面集团结构等。针对开放量子系统的新的核结构理论也需要创建和发展。
北京大学实验核物理团队近年来针对奇特核结构和动力学开展了一系列有重要影响的研究工作，包括新幻数、壳演化、集团结构、奇异衰变等，在《自然》（Nature）系列、《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. ）等杂志发表了一批重要成果，发展了独具特色实验探测装置。这是叶沿林和杨晓菲能够受邀牵头撰写该综述论文的基础。北京大学的核理论工作者近年来也在基于从头计算（ab initio）的核结构模型等方面取得长足进展。
叶沿林、杨晓菲、Hiroyoshi Sakurai和胡柏山（原北京大学物理学院博士生和博士后，现任美国德克萨斯农工大学助理教授）是综述论文共同通讯作者。相关工作得到国家自然科学基金委、国家重点研发计划、教育部、核物理与核技术国家重点实验室等的支持。
论文原文链接：https://doi.org/10.1038/s42254-024-00782-5
