中高能核物理

中高能核物理是20世紀60年代發展起來的原子核物理學和粒子物理學的邊緣學科。中高能核物理的研究領域比較寬，涉及的問題也很多。例如還有原子核中的弱相互作用問題，高能強子與核碰撞引起的多重產生現象等等。

簡介

中高能核物理是20世紀60年代發展起來的原子核物理學和粒子物理學的邊緣學科。中高能核物理的研究領域比較寬，涉及的問題也很多。例如還有原子核中的弱相互作用問題，高能強子與核碰撞引起的多重產生現象等等。

正文

20世紀60年代發展起來的原子核物理學和粒子物理學的邊緣學科。它的研究對象是：原子核受到高能粒子（10 ～10 MeV）及其次級粒子束（例如μ介子、K介子以及反質子等等）轟擊時，所表現出來的各種現象、特點以及由此揭示出來的運動規律。同低能核物理比較，它具有兩個特點：一個是入射粒子的能量高，可以研究高動量轉移及高能量轉移下的現象。另一個是入射粒子的種類多，增加了變革原子核的手段，從而擴大了核反應的研究範圍。在中高能核物理實驗中是以原子核為靶的，利用原子核是核子多體系統這一特點，可以提供一些研究基本粒子特性及基本相互作用的新途徑。下面是中高能核物理研究的幾個主要領域。

核內非核子自由度自從1932年發現中子以來，人們認為原子核是由中子和質子組成的，並把中子和質子(統稱為核子)當做點粒子來處理。由於核子在原子核中速度不高，它們應遵從非相對論性的量子力學規律。且認為核子和核子之間由介子場作媒介存在著強相互作用，在非相對論近似下一般可以用一個位勢來描述。從以上幾點出發，建立起來的核結構理論，稱為傳統的核理論。

顯然,上述的理論框架與實際情況有出入。首先,核子不是點粒子，而是複合粒子，它可以有許多的激髮狀態，例如 Δ(1232)共振態。其次, 核子通過介子場來傳遞核子之間的作用,因此介子場也是核內的客觀存在。那么，這些非核子自由度（膠子、夸克、介子以及核子共振態等的空間位置、自旋、同位旋等）到底在原子核內是否重要，它們起什麼樣的作用，研究表明，即使對於原子核的基態，傳統的核理論與實驗也有不完全符合的地方。對於高動量（或高能量）傳遞的情況，傳統的核理論與實驗的偏離就更大了。例如, He的電形狀因子,在動量傳遞小的情況下，理論與實驗基本是一致的；但當動量傳遞超過3fm 時，理論值比實驗值小几倍至幾十倍。這些結果都表明核理論的研究需要深入一步，這也正是中高能核物理研究中需要解決的主要問題之一。

在這方面,目前主要是研究μ介子以及核子共振態Δ(1232)對核多體系統的影響。 由於實驗資料還不夠系統和精確，所以研究工作還處於初步階段。已有的一些結果表明：介子交換流效應在原子核中是不可忽略的，即原子核核心子之間交換的虛介子流對原子核的磁矩、β衰變以及γ躍遷都有約百分之幾的影響。對於核子共振態Δ(1232)而言，雖然它比核子的質量約大 300MeV, 因而混入Δ 粒子成分必然很小，但它仍然對核的基態及低激發態有一定的影響，對某些物理量有明顯的貢獻，因此，對核內Δ 成分的研究已經越來越受到重視。隨著能量進一步增高，研究夸克自由度在核內的影響問題，將會提上日程。輕子深度非彈性散射的EMC效應就是在這方面跨出的重要一步。

奇特原子和奇特核在中高能核物理的研究中，還可以利用各種次級粒子束流，生成新型的原子或原子核，分別稱之為奇特原子和奇特核。

由其他帶負電荷的粒子取代核外電子,所形成的"原子"稱為奇特原子。例如μ-子原子、μ介子原子以及反質子原子等等。由於這些粒子的質量都比電子的質量大得多，所以它們在原子內的軌道更加靠近原子核，甚至有很大的幾率穿越原子核。可以利用它們做為探針，來探測原子核的一些基態性質。

類似的，由其他重子進入到原子核中所形成的新的核多體系統稱為奇特核。例如Λ 超核、Σ超核以及反質子核等等。目前只有Λ 超核為實驗所肯定，並已開展了一些Λ 超核譜學及生成Λ 超核機制的研究(見超核)。這些新的核多體系統，一方面由於增加了一類粒子，所以比原子核具有更多的激發方式，從而開擴了核結構的研究；另一方面,對於研究核子與其他重子的相互作用,也有重要的意義。

介子核物理用介子做為探針，研究介子與核碰撞的各種機制，將增進對於介子與核作用的認識。為研究核內介子自由度的影響提供直接的知識。目前，主要是研究μ介子同核的作用（稱μ核反應或μ核作用）,也有少量K介子方面的工作。自從μ介子工作建成以後，對於入射 μ介子的能量主要在低能區及共振區(約300MeV以下)的情況，開展了大量的μ介子-核散射（包括彈性散射和非彈性散射）、μ核吸收和各種μ核反應的研究工作。

由光學勢阱的衝量近似已經可以相當好地解釋 π核彈性散射的實驗。然而對於μ核反應過程(包括非彈性散射),則需要考慮原子核的多體效應；尤其對於共振區,μ介子進入原子核以後，可以使得核子激發為核子共振態Δ(1232)，並在核內傳播，這是 μ 核作用中一個相當重要的機制。

隨著對μ核反應機制了解的深入，利用μ介子作為探針，來探索原子核結構的工作越來越多。它不僅可以做為研究核內μ介子及Δ 粒子自由度的主要探針,而且由於μ介子具有一些獨特的特性,從而豐富了研究核結構的手段。例如它是玻色子，可以完全被吸收，有助於了解核子在核內的短程關聯;又例如它有三種電荷態μ±及μ ,不僅可以發生單電荷交換,還可以發生雙電荷交換反應。利用這些特點，可以獲得原子核結構的新知識。

高能電子及高能質子與核的作用用高能電子或高能質子轟擊原子核時，由於入射能量高，有助於了解原子核核心子運動的高動量狀況。尤其是高能電子同核作用的實驗，由於電子同原子核之間只有電磁作用，可以避免強相互作用的影響，因而電子是一個很有用的工具。例如，從電子散射可以定出原子核的密度分布，並且隨著入射電子能量的加高，將對原子核核心部位的密度分布有更精確的了解。又例如,從敲出反應（入射粒子,一般為電子、質子、α 粒子等，與原子核碰撞後，敲出另外一個粒子或一個粒子集團的反應）(e,e┡p),可以了解質子在核內的能級特性。

高能重離子反應由於高能重離子反應的彈核既重又快，轟擊原子核可以將靶核或彈核完全打碎，產生許多產物，或放出許多介子（即散裂反應）等等。因此這是一個新現象十分豐富的領域，它有許多很難處理的問題，目前的研究尚處於唯象的階段。有人期望利用兩大塊核物質高速碰撞的途徑，獲得超過正常核密度的核物質,從而形成不平常核態。這是一個很有意義的課題,但尚有待實驗證實。

重子－重子相互作用 核子之間的相互作用（見核力）問題一直是原子核物理中的一個基本問題。長期以來,它藉助一個符合二體散射實驗的唯象位勢來描述。60年代發展了單玻色子交換理論。近幾年來,通過π-N散射振幅，建立了2μ交換理論，成功地解釋了核力的中程性質。然而對於核力的短程性質，還只能用一個唯象的排斥芯來描述。另一方面，由於核子是由夸克組成的複合粒子，原則上講，核子之間的作用應該可以由夸克之間的作用得出。這是強相互作用研究中一個十分困難的問題。目前的理論尚處於探索階段。主要有兩個模型：一個是袋模型，另一個是勢模型。隨著對核內非核子自由度以及奇特核方面研究的深入，越來越需要了解其他重子（例如Λ 超子、核子激發態Δ等）同核子之間的相互作用的知識。這方面的工作也在逐步開展。

中高能核物理的研究領域比較寬，涉及的問題也很多。例如還有原子核中的弱相互作用問題，高能強子與核碰撞引起的多重產生現象等等。