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核结构与核动力学的新进展——IBM理论

发展核模型的目的，在于更准确地描述原子核的各种运动形态，以期建立一个更为完整的核结构理论.由于人们对于核子间的相互作用性质、规律及机制并不完全清楚，不可能像经典物理那样，通过核子间的相互作用先建立一个核结构与核动力学理论，只能依靠所建立的模型，对有实验数据的核素或能区进行理论计算，再与实验的结果相比较，根据比较结果，调整模型，再通过模型理论，估算没有实验数据的空缺能区，发展实验技术，补充空缺数据，再与理论估算相比较，如此循环往复，推动核结构理论的进展，这是一个艰苦而又漫长的探索过程.截止到70年代初，核结构理论的进展大多在传统的范围内发展着.传统核结构理论的特点是：①没有考虑核子的自身结构；②处理核力多为二体作用，把核内核子间的作用，等同于自由核子间的相互作用；③认为核物质是无限的；④应用的是非相对论的量子力学；⑤研究对象是通常条件（基态或低激发态、低温、低压、常密度等）下的自然核素.

从70年代中到90年代，核物理的研究跳出了传统范围，有了巨大的进展.首先是实验手段的发展，各种中、高能加速器、重离子加速器相继投入运行；与此相应，探测技术的发展不仅扩大了可观测核现象的范围，也提高了观测的精度与分析能力；核数据处理技术由手工向计算机化的转变，更加速了核理论研究的进程.受到粒子物理学和天体物理学发展的影响，核物理理论也开始从传统的非相对论量子核动力学（QND）向着相对论量子强子动力学（QHD）和量子色动力学（QCD）转变.一个以相对论量子场论、弱电统一理论与量子色动力学为基础的现代核结构理论正在兴起.虽然由于粒子物理已成为一门独立学科，核物理已不再是研究物质结构的最前沿，但是核物理的研究却更进入了一个向纵深发展的崭新阶段.

原子核的集体模型除了平均场外，还计入了剩余相互作用，因而加大了它的预言能力.然而，核多体问题在数学处理上的难度很大，这给实际研究造成很大的困难.近十几年来，有人提出了各种更为简化的核结构模型，其中主要的有液点模型，它的特点是反映了原子核的整体行为和集体运动，能较好地说明原子核的整体性，如结合能公式、裂变、集体振动和转动等.除了液点模型外，还有互作用的玻色子模型（IBM），这一模型也是企图用简化方法研究核结构.目前，由于人们除了对核子间的核力作用认识不清以外，又由于原子核是由多个核子统成的多体系统，考虑到每个核子的3维坐标自由度、自旋与同位族自由度，运动方程已无法求解，加上多体间相互作用就更难上加难.过去的独立核壳层模型强调了独立粒子的运动特性，而原子核集体模型又强调了核的整体运动，这两方面的理论没能做到很好的结合.尽管核子的多体行为复杂，无法从理论计算入手，实验观察却发现，原子核这样一个复杂的多费密子系统，却表现出清晰的规律性与简单性.这一点启发人们，能否先“冻结”一些自由度，研究核的运动与动力学规律，从简单性入手研究核，这就是互作用玻色子模型的出发点.

1968年，费什巴赫（Feshbach）与他的学生拉什罗（F.lachllo）在研究双满壳轻核时，把粒子-空穴看成为一个玻色子，提出了相互作用玻色子概念.1974年，拉什罗把这一概念用于研究中、重偶偶核，他与阿里默（A.Arima）合作，提出了互作用玻色子模型.这一模型认为，偶偶核包括双满壳的核实部分与双满壳外的偶数个价核子部分.若先把核实的自由度“冻结”，把价核子配成角动量为0或2的核子对，即可把费密子对处理为玻色子，用玻色子间的相互作用描述偶偶核，可以使问题大大简化.他们的这一模型在解释中、重原子核的低能激发态上取得了很大的成功.互作用玻色子模型更为成功之处是，它预言了原子核在超空间中的对称性.它指出核转动、核振动等集体运动行为是核动力学对称性的反映.由于对核动力学对称性的揭示，这一模型虽然比较抽象，却更为深刻也更为本质.在过去，提到对称性，往往被认为是粒子物理学的研究课题.其实，核物理也是对称性极为丰富的研究领域.最早注意到核对称性的是匈牙利裔美国物理学家、狄喇克的妻兄维格纳（Wigner，EugenePaul1902～）.维格纳毕业于柏林大学化学系，1925年获得博士学位，1930年与诺伊曼（Neumann，Johnvon1903～1957）一起被邀请到美国，担任普林斯顿大学数学物理教授.1936年，两人共同创立中子吸收理论，为核能事业做出重大贡献.1937年，维格纳基于核的自旋、同位旋，引入超多重结构，建立了宇称守恒定律.由于对原子核基本粒子理论的贡献，特别是对对称性基本原理的贡献，维格纳获得了1963年诺贝尔物理学奖.继维格纳，对原子核动力学对称性进行更深入研究的是埃里奥特.1958年，埃里奥特研究了谐振子场的对称性，建立了玻色子相互作用的SU（3）动力学对称性理论，这一理论与质量数A在16～24的核理论有很好的符合，但对于A较大的核，由于自旋-轨道耦合，使这种对称性遭到破坏，而偏离很大.在1974年拉什罗和阿里默提出的互作用玻色子模型中，将角动量为0的玻色子称为s玻色子，角动量为2的玻色子称为d玻色子，s、d玻色子展开一个6维超空间，系统状态的任何一种变化，都可以通过6维空间的么正变换实现，这种么正变换构成U（6）群.原子核的角动量守恒即与空间转动不变性相联系，即s、d系统具有U（6）的对称性.他们还发现，s、d玻色子系统存在三个群链，①U（6）U（5）SO（5）SU（3），简称U（5）极限.②U（6）SU（3）SO（3），简称SU（3）极限.③U（6）SO（6）SO（5）SO（3），简称SO（6）极限.在三个群链情况下，与s、d玻色子相互作用相关的哈密顿量均有解析解，原子核具有相应群的对称性.在三种极限情况，能量本征值对角动量都有确定的依赖关系，动力学对称性也依能级次序的表现而不相同.总之，这一研究成果揭示了原子核结构与动力学的对称性，并与实验结果取得了很大程度上的一致，IBM理论取得了很大的成功.

当前，粒子物理学面临的两大问题就是研究超出标准模型的新物理和解决描述强相互作用的量子色动力学（QCD）的非微扰问题.美夸克物理的研究不仅与微扰和非微扰QCD相关，而且与超出标准模型的新物理的探讨有密切联系.B介子与b夸克重子的弱衰变在检验标准模型的同时，有可能通过圈图效应揭示新物理存在的证据.B衰变和CP破坏的研究，不仅是当前而且至少在二十一世纪前五年将是粒子物理研究的热点.随着美国和日本两个B工厂的运行，B物理的研究将进一步形成高潮.粲物理的研究内容包括粲偶素与带粲味的粒子质量谱，粲偶素的强衰变与电磁衰变，粲偶素的强跃迁，带粲数粒子的弱衰变，以及粲偶素及带粲数粒子的产生等.当前粒子物理中的许多热点问题都与粲物理有关.例如，近年来在美国费米实验室观察到的高能质子－反质子碰撞中的粲偶素粒子的超高额产生，引起了对强子结构及量子色动力学中的新的理论和机制的研究.又如，最近在粲偶素辐射衰变或其它实验中观察到的两个粒子 x(2230)与f₀(1500)被认为极有可能就是人们寻找了十几年的胶子球.胶子球体现了胶子自由度的存在，对胶子球在实验上和理论上的确认将是对胶子作为传媒的量子色动力学的最直接和有力的支持，因而受到国际粒子物理界的广泛重视.