中高能核物理（中高能核物理）

正文

20世纪60年代发展起来的原子核物理学和粒子物理学的边缘学科。它的研究对象是：原子核受到高能粒子（10 ～10 MeV）及其次级粒子束（例如μ介子、K介子以及反质子等等）轰击时，所表现出来的各种现象、特点以及由此揭示出来的运动规律。同低能核物理比较，它具有两个特点：一个是入射粒子的能量高，可以研究高动量转移及高能量转移下的现象。另一个是入射粒子的种类多，增加了变革原子核的手段，从而扩大了核反应的研究范围。在中高能核物理实验中是以原子核为靶的，利用原子核是核子多体系统这一特点，可以提供一些研究基本粒子特性及基本相互作用的新途径。下面是中高能核物理研究的几个主要领域。

核内非核子自由度自从1932年发现中子以来，人们认为原子核是由中子和质子组成的，并把中子和质子(统称为核子)当做点粒子来处理。由于核子在原子核中速度不高，它们应遵从非相对论性的量子力学规律。且认为核子和核子之间由介子场作媒介存在着强相互作用，在非相对论近似下一般可以用一个位势来描述。从以上几点出发，建立起来的核结构理论，称为传统的核理论。

显然，上述的理论框架与实际情况有出入。首先，核子不是点粒子，而是复合粒子，它可以有许多的激发状态，例如 Δ(1232)共振态。其次, 核子通过介子场来传递核子之间的作用，因此介子场也是核内的客观存在。那么，这些非核子自由度（胶子、夸克、介子以及核子共振态等的空间位置、自旋、同位旋等）到底在原子核内是否重要，它们起什么样的作用，研究表明，即使对于原子核的基态，传统的核理论与实验也有不完全符合的地方。对于高动量（或高能量）传递的情况，传统的核理论与实验的偏离就更大了。例如, He的电形状因子，在动量传递小的情况下，理论与实验基本是一致的；但当动量传递超过3fm 时，理论值比实验值小几倍至几十倍。这些结果都表明核理论的研究需要深入一步，这也正是中高能核物理研究中需要解决的主要问题之一。

中高能核物理

奇特原子和奇特核在中高能核物理的研究中，还可以利用各种次级粒子束流，生成新型的原子或原子核，分别称之为奇特原子和奇特核。

由其他带负电荷的粒子取代核外电子，所形成的"原子"称为奇特原子。例如μ-子原子、μ介子原子以及反质子原子等等。由于这些粒子的质量都比电子的质量大得多，所以它们在原子内的轨道更加靠近原子核，甚至有很大的几率穿越原子核。可以利用它们做为探针，来探测原子核的一些基态性质。

类似的，由其他重子进入到原子核中所形成的新的核多体系统称为奇特核。例如Λ 超核、Σ超核以及反质子核等等。目前只有Λ 超核为实验所肯定，并已开展了一些Λ 超核谱学及生成Λ 超核机制的研究(见超核)。这些新的核多体系统，一方面由于增加了一类粒子，所以比原子核具有更多的激发方式，从而开扩了核结构的研究；另一方面，对于研究核子与其他重子的相互作用，也有重要的意义。

介子核物理用介子做为探针，研究介子与核碰撞的各种机制，将增进对于介子与核作用的认识。为研究核内介子自由度的影响提供直接的知识。目前，主要是研究μ介子同核的作用（称μ核反应或μ核作用）,也有少量K介子方面的工作。自从μ介子工作建成以后，对于入射 μ介子的能量主要在低能区及共振区(约300MeV以下)的情况，开展了大量的μ介子-核散射（包括弹性散射和非弹性散射）、μ核吸收和各种μ核反应的研究工作。

由光学势阱的冲量近似已经可以相当好地解释 π核弹性散射的实验。然而对于μ核反应过程(包括非弹性散射),则需要考虑原子核的多体效应；尤其对于共振区,μ介子进入原子核以后，可以使得核子激发为核子共振态Δ(1232)，并在核内传播，这是 μ 核作用中一个相当重要的机制。

随着对μ核反应机制了解的深入，利用μ介子作为探针，来探索原子核结构的工作越来越多。它不仅可以做为研究核内μ介子及Δ 粒子自由度的主要探针，而且由于μ介子具有一些独特的特性，从而丰富了研究核结构的手段。例如它是玻色子，可以完全被吸收，有助于了解核子在核内的短程关联；又例如它有三种电荷态μ±及μ ,不仅可以发生单电荷交换，还可以发生双电荷交换反应。利用这些特点，可以获得原子核结构的新知识。

高能电子及高能质子与核的作用用高能电子或高能质子轰击原子核时，由于入射能量高，有助于了解原子核内核子运动的高动量状况。尤其是高能电子同核作用的实验，由于电子同原子核之间只有电磁作用，可以避免强相互作用的影响，因而电子是一个很有用的工具。例如，从电子散射可以定出原子核的密度分布，并且随着入射电子能量的加高，将对原子核核心部位的密度分布有更精确的了解。又例如，从敲出反应（入射粒子，一般为电子、质子、α 粒子等，与原子核碰撞后，敲出另外一个粒子或一个粒子集团的反应）(e,e┡p),可以了解质子在核内的能级特性。

高能重离子反应由于高能重离子反应的弹核既重又快，轰击原子核可以将靶核或弹核完全打碎，产生许多产物，或放出许多介子（即散裂反应）等等。因此这是一个新现象十分丰富的领域，它有许多很难处理的问题，目前的研究尚处于唯象的阶段。有人期望利用两大块核物质高速碰撞的途径，获得超过正常核密度的核物质，从而形成不平常核态。这是一个很有意义的课题，但尚有待实验证实。

重子－重子相互作用 核子之间的相互作用（见核力）问题一直是原子核物理中的一个基本问题。长期以来，它借助一个符合二体散射实验的唯象位势来描述。60年代发展了单玻色子交换理论。近几年来，通过π-N散射振幅，建立了2μ交换理论，成功地解释了核力的中程性质。然而对于核力的短程性质，还只能用一个唯象的排斥芯来描述。另一方面，由于核子是由夸克组成的复合粒子，原则上讲，核子之间的作用应该可以由夸克之间的作用得出。这是强相互作用研究中一个十分困难的问题。目前的理论尚处于探索阶段。主要有两个模型：一个是袋模型，另一个是势模型。随着对核内非核子自由度以及奇特核方面研究的深入，越来越需要了解其他重子（例如Λ 超子、核子激发态Δ等）同核子之间的相互作用的知识。这方面的工作也在逐步开展。