核内非核子自由度的研究
1.π介子自由度
在建立互作用玻色子模型的同时，核结构理论又从核内非核子自由度的研究中得到了新的进展.以核集体模型为代表的广义核壳层模型尽管取得了一定的成功，但毕竟还有一定的局限性.首先，这些模型都只是从部分实验事实或观测现象出发，从某个侧面用类比方法反映核子系统的机制.此外，在核反应理论中，所引入的可调参数又太多.可调参数越多，说明这个理论离成熟性与完整性越远.再加上现有的各种核模型间缺乏统一的内在联系，它们不是一个包容另一个，而是彼此独立，相互间关联甚少.追究起来，存在这些问题的原因是对核多体系统的认识有关.按传统认识，核内的核子只是一个无结构的点，核仅由这些被当作为点的核子组成，即原子核只存在有核子自由度，核子之间的作用单纯为两点间的作用.事实上，早在30年代，有人就预言了核内存在有非核子的自由度.
1932年，查德威克发现了原子核内除了质子外，还有中子以后，很快地，海森伯就提出原子核是由质子和中子组成的.然而是什么力把它们紧紧地约束在核中呢？1935年，汤川秀树发表了核力的介子场理论，他认为π介子是核力的媒介，并参与β衰变，同时提出了核力场方程及核力的势.根据这一理论，质子和中子通过交换π介子互相转化.1947年，π介子在宇宙射线中被发现.由于在核力理论中预言π介子的存在，汤川秀树获得了1949年诺贝尔物理学奖.
随着粒子物理学的发展，人们逐渐发现，在原子核内，除了传统的质子、中子自由度以外，还有更多的自由度，它们包括：π介子自由度、ρ介子自由度以及各种核子的共振态△、σ粒子自由度、核内夸克自由度和核内色激发自由度等，情况远比人们对核的传统认识复杂.对这些自由度的研究极大地丰富了原子核物理学的基本内容.
多年来，人们一直在寻求着核内存在π介子的直接或间接的实验证明.一个主要的困难是得知核内存在π介子，需要波长极短的入射粒子束.为避免强相互作用带来更多的不确定性，人们选用了入射光子的方法.近年来，有两个有名的实验给出了核内存在π介子自由度的证明.其一是氘核的光分裂实验，人们用两种方法计算了氘核光分裂γ+D→n+p过程的反应截面.结果发现，在入射光子能量Er≤50MeV情况下，认为核只具有纯核子自由度的计算结果与实验符合，偏差只有10%左右；然而当Er＞50MeV时，纯核子自由度的计算与实验结果的偏离明显地加大，只有考虑了π介子自由度以后，才与实验结果一致.这一实验不仅证明了核内π介子的存在，而且还说明了在通常的低能核物理中，分子的自由度不能表现出来.另一个证明π介子自由度的是利用电子散射对3He形状因子的研究实验.实验结果表明，在电子与核的动量转移过程中，越接近核中心区域，动量交换值越大，核中心区域是高动量转移区，核的边缘为低动量转移区，而只有在低动量转移区，纯核子自由度理论才与实验结果符合，在高动量转移的中心区，必须计入π介子及△自由度的影响，才能与实验符合.这个实验不仅证明了核内π介子自由度的存在，而且进一步指出，在原子核的中心区域，非核子自由度问题的重要性更为突出.
2．夸克自由度
从40年代末到50年代初，随着世界上各大型加速器的投入运行，粒子物理逐渐从核物理中分化了出来.本世纪60年代以后，粒子物理取得了一系列令人瞩目的进展.例如，在70年代初，格拉肖、萨拉姆和温伯格将弱、电相互作用统一在SU（2）×U（1）对称群的规范理论之中，并从多方面得到了实验上的直接和间接的证实.粒子物理的另一个著名成就是夸克模型和量子色动力学的建立.根据微观世界中的对称性，不仅可以对强子进行分类，而且还对强子内部结构的认识提供了有效的途径.低能强子按SU（3）对称群分类，这些强子的基本构件，也是SU（3）对称群的基础就是夸克，包括u夸克、d夸克和s夸克.为使强子满足自然界普遍遵守的自旋与统计性关系，每种夸克还有3种不同的色，色相互作用是强相互作用的起源，而传递色相互作用的8个媒介子就称为胶子.实质上，强相互作用理论即为SU（3）色对称群的规范理论，称为量子色动力学（QCD）.根据夸克模型，原子核的核子应由3个价夸克以及称为海夸克的虚夸克-反夸克对胶子组成，而传递核子相互作用的介子应由价夸克、价反夸克和海夸克、胶子组成.这种物质结构的新观点启发人们思索，核内的核子处于核的“环境”之中，它们到底与自由核子有什么区别？核“环境”对核子有什么影响？核内的夸克和胶子的分布如何？它们都参与什么作用？……这一系列问题都将与核内夸克自由度等的非核子自由度有关，这些问题已成为当今核物理发展的关键.
目前还不能严格地用量子色动力学描述原子核这样的多夸克系统，考虑到可能存在夸克自由度，有人提出了一个更为大胆的简化核模型.这一模型从夸克和它们之间的相互作用力出发，采用类似传统的独立粒子壳层模型的方法来解释原子核的各种性质.在考虑夸克间相互作用时，这一模型假定存在有“对力”，而不考虑夸克的禁闭性质.根据这一模型，夸克的色自由度使每个壳层上容许的夸克数恰好与传统壳层模型每个壳层上的核子数相同，这使人们想到，在原子核内的夸克存在有自由度，它们可能不像在自由核子中那样禁闭，那么原子核内的夸克究竟有多大的几率跑出核内的核子之外？原子核内的夸克自由度能否表现出来？在对这些关键问题的研究中，核物理与粒子物理两大学科又重新走到一起，而趋于汇合之中.
3．高能轻子非弹性散射实验——EMC效应
传统的原子核的质子-中子模型在描述低能核现象时都十分成功，这表明，要发现核内的夸克效应或其它非核子自由度应该到高能核现象中去寻找.此外，根据标准模型预言，原子核是由若干核子、介子组合的集合系统，而核子、介子又都是通过胶子相互作用的夸克系统，核子在核内不停地运动，又会由于核子间的重叠形成夸克集团，这样一来，核内核子的性质，如大小、质量等，一定与自由核子不同，例如会稍微膨胀而变“胖”和有效质量变小等.此外，禁闭在核内核子中的夸克密度分布也会与自由核子的不同.这些都是由于夸克自由度带来的影响，称之为夸克效应.
寻求核内夸克效应的最直接和有效的方法就是用“探针”探测.这种“探针”就是能量极高的入射粒子.入射粒子的能量越高，它的德市洛意波长越短，分辨核内微小尺度的能力越强.此外，最好采用电子和μ子等非强子作探针，以避免强相互作用干扰，因为至今对强相互作用的了解不如电磁相互作用那样清楚.对于实验的结果，有人预计，当用能量高达几个京电子伏的高能轻子打入核内时，它们与核内夸克相互作用而散射，通过对散射粒子的能量、动量和散射角分布的测量，探知核内夸克的动量分布，即核子的结构函数.而另一些人则认为，原子核只是一个质子-中子构成的弱束缚体系，对于高达几个京电子伏的高能过程，这种弱的束缚不会起什么作用，核的“环境”影响不能显示出来，在自由核子靶上以及在原子核内核子靶上，测量这种结构常数不会显示什么差异.然而实验的结果，却大大出乎后一些人的预料.
1982年，在欧洲粒子物理研究中心，由来自17个国家和地区的89位高能物理学家，组成了欧洲μ子实验合作组（EMC组），进行了带电轻子深度非弹性散射实验.他们使用的高能轻子为电子、μ子和中微子，轻子与核子间传递的能量高达几个到几十个GeV，这一实验结果发表在《物理通讯》杂志上①.实验得到了铁原子核结构函数与氘核结构函数的比值，发现这一比值是夸克动量与核子平均动量比值x的函数，当x在一定的范围（布约肯区）内时，这个比值为0.05～0.8，且呈一定规律随x变化.这个结果很重要，因为如果认为核内的核子仍保持自由核子的性质，这个比值应为1，比值偏离1的实验结果表明，原子核内的核子包含了较多的低能夸克.尽管核子在核内的束缚很弱，周围核物质的存在依然明显地影响到束缚在核内夸克的动量分布.面对这一实验事实，人们不得不改变原来的看法，这一结果由此得名为“EMC效应”.随后，EMC效应陆续被美国斯坦福直线加速器、德国的电子同步加速器及世界上其它几个大加速器的实验证实.
EMC效应的发现引起了世界性的轰动，这不是偶然的.它像科学史上许多其它重要发现一样，不是“先验的理论”，而是实验事实强迫人们去接受一种新的观念，这就是原子核内核子的亚结构与一般自由核子的亚结构有明显的不同.这里值得提起一个反面的例子，如果人们不是被一些“先验的理论”所束缚，本该更提早十几年发现EMC效应.在70年代初，在斯坦福直线加速器实验室(SLAC)就有一个用高能电子测量核子结构函数的研究组.他们以液氢与液氘为靶，得到了核中质子和中子的结构函数.因为用来盛液氢、液氘的容器是钢和铝的，为消除本底的影响，他们又进行了容器的空靶测量，这样就掌握了钢和铝靶的结构函数，却不曾想到与自由核子的结果相比较.EMC效应的结果发表以后，他们把十几年前依然保存完好的数据重新计算分析，他们自己戏称这是“做了一次‘考古学’的研究”.其结果确实充满戏剧性，两次研究一前一后时隔十几年，对不同的探测粒子、不同能区做了测量，竟然得出完全一致的结果.这一事实不仅再一次令人信服地证实了EMC效应的存在，还使人们冷静地看到，SLAC小组先于十几年得到实验的全部数据，却未能成为EMC效应的发现人，这不能不说明，对于那些已被广泛接受却未经实验事实证实的“先验理论”，确有必要重新检验.1988年，EMC组又在极小的布约肯区(0.003≤x≤0.2)对不同的核(12C、46Ca、73Cu、56Fe、119Sn)进行了测量.结果发现，在0≤x＜0.1时，结构函数比值小于1，有明显的遮蔽现象；而在0.1≤x≤0.2时，结构函数比值大于或等于1，有较弱的反遮蔽现象，而且遮蔽现象随不同的核而不同①.伯格(E.L.Berger)等人对这一现象做出了解释②.他们先从传统的核子-介子模型出发，同时考虑了核子的费密运动修正，认为遮蔽现象来源于核子造成的“影子”，即入射粒子“看不到”处于“影子”中的核子.根据这一解释，遮蔽现象本应该随着入射高能轻子转移给靶核动量的增大而迅速地减小，以至消失，然而实验现象却与这种估计相反.这表明，EMC效应使传统的核子-介子模型出现了困难，原子核并非简单的核子的集合，即使引入了核子运动的费密修正，核内的夸克分布也与自由核子不同，这就迫使人们不得不考虑夸克自由度的问题.
根据量子色动力学，夸克的相互作用性质与核力、电磁力及引力性质完全相反.在强子内，夸克间距离很小时，它们几乎相互没有作用，行为像无相互作用的自由粒子，然而随着夸克间距离的加大，禁闭势垒急剧增高，夸克像是被禁闭在强子的内部.EMC效应的发现使人们想到，禁闭在核“环境”中核子内的夸克自由度可能比自由核子内的夸克自由度大，在核“环境”中，核子内的夸克将有可能以某种几率跑到核子之外，甚至从一个束缚核子中“渗透”出来，再进入另一个束缚核子之中，两个相互靠得较近的核子会以一定的几率彼此“融合”，使核子自身膨胀起来，核子会因这种膨胀而变“胖”，随之有效质量减小.核内核物质密度越大，核子重叠机会越多，夸克禁闭长度增加就越大，这一效应就越明显.对EMC效应的这一解释先后由卡尔森(E.E.Carlson)①及克洛斯(F.E.Close)②等人给出，他们的解释与1988年EMC协作组的实验结果取得了大部分的一致.
事实证明，夸克自由度的研究还是很初步的，与问题的最后的圆满解决仍有相当大的距离.随着研究的深入，问题也不断地接踵而来.1990年下半年，斯坦福直线加速器研究中心又公布了有关EMC效应的新实验结果①，他们用800GeV的高能质子轰击不同的靶核所产生的双μ子实验，测定了靶核内海夸克密度分布变化.结果表明，在布约肯变量范围0.1＜x＜0.3时，海夸克密度大致没有变化，这与EMC效应的各种模型理论的预言都不一致.即使如此，EMC效应的意义仍是不言而喻的，它一方面使人们认识到，必须从夸克层次对核的组分与结构进行重新的认识；另一方面，从核的夸克禁闭性质变化讨论禁闭的根源又为粒子物理的研究展开了一个新的天地.它使人们确信，高能核物理以及高能重离子核物理②的实验与理论研究一定能为核中夸克效应的研究提供更为丰富的内容，夸克、胶子自由度的核效应以及夸克、胶子自由度与核子、介子自由度的关联终将会被揭示出来.
附录：据英国《每日邮报》2010年11月9日报道，科学家借助欧洲大型强子对撞机(LHC)，让铅离子以接近光速的速度对撞，成功创造出了迷你版的“宇宙大爆炸”，产生了一个温度为太阳核心温度100万倍的火球，也意味着产生了夸克—胶子等离子体.在宇宙大爆炸初期，正是这种夸克—胶子等离子体填满了整个宇宙.科学家表示，该项科研成果将用于解释137亿年前宇宙诞生之初的物质形成过程.
据悉，铅离子4日开始注入对撞机，7日零时30分探测到首次铅离子束流的对撞，8日11时20分获得铅离子对撞实验所需稳定条件，实验正式开始.现在，实验成功创造出了迷你版“宇宙大爆炸”.ALICE（LHC的一台探测器）铅离子对撞实验的科学家、伯明翰大学物理学家戴维·埃文斯表示，他们对这一成就激动万分，实验获得了有史以来最高的温度和密度.这个过程发生在一个安全、可控的环境内，生成了炽热和超稠密的亚原子火球，其温度超过10万亿摄氏度，在这样的温度下，组成原子核的质子和中子会被融化，产生夸克—胶子等离子体.欧洲核子研究中心主任罗尔夫·霍伊尔解释道，之所以产生如此巨大的能量，是因为铅离子含有28个质子，因此，两束铅离子束流被加速后，单束最高能量远高于质子束流能量，达到287万亿电子伏特.英国理论物理学家约翰·埃利斯自1978年起为欧洲核子研究中心工作，他撰文表示，从严格意义上说，LHC没有重现大爆炸，但它确实成功再现了大爆炸发生后极短时间内宇宙小范围的情形.实验将为宇宙的早期演化研究提供新的线索；也为基础理论物理研究提供新的途径，包括一些由弦理论提出的观点.科学家希望，通过研究夸克—胶子等离子体，可以加深他们对强相互作用力的了解，强相互作用力是自然界存在的四种基本作用力之一，它不仅让原子核紧紧地依附在一起，而且对它们98%的质量负责.另外，研究夸克—胶子等离子体，也有助于科学家研究宇宙形成之初的状态以及物质变化过程.LHC栖身于瑞士和法国交界地区地下100米深处的环形隧道内，隧道总长约27公里.科学家希望通过在对撞机内实现极高能量的粒子对撞，模拟出与宇宙大爆炸后最初状态类似的环境，从而深入研究宇宙起源和各种基本粒子的特性.
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