5、核物質(zhì)新形態(tài)的探索迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定原子核265種，60種天然放射性核，人工合成有2400種核，然而在核素圖上，由中子滴落線、質(zhì)子滴落線及自裂變半衰期大于1μs的限制邊界內(nèi)所包圍的核素應(yīng)有8000余種，這表明有一大半核尚未被人們認(rèn)識(shí)。根據(jù)目前的情況，考慮到可能的生成與鑒別方法，估計(jì)還可能被生成或鑒別600種左右的新核素，它們是世界各地有關(guān)實(shí)驗(yàn)室不惜耗費(fèi)重金搜索的目標(biāo)。然而，隨著遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線，未知新核素的生成截面也越來(lái)越小，壽命越來(lái)越短，使分離、生成和鑒別的難度越來(lái)越大。遠(yuǎn)離穩(wěn)定線原子核研究在核物理學(xué)中占有特殊重要的地位。首先，這些核素具有一系列獨(dú)特的性質(zhì)，例如它們的中子、質(zhì)子數(shù)之比異常，有的核結(jié)合能極大，有新的衰變方式，如高能β衰變、β延遲粒子發(fā)射、β延遲衰變、表面結(jié)團(tuán)結(jié)構(gòu)、形狀共存以及中子滴落線附近核的反常大半徑等。對(duì)這些獨(dú)特現(xiàn)象的研究，有助于檢驗(yàn)和發(fā)展現(xiàn)有的原子核理論。此外，現(xiàn)有的核結(jié)構(gòu)模型，大部分是在β穩(wěn)定線附近幾百種核研究基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，如液滴模型、獨(dú)立粒子核殼層模型、核集體模型等，它們都有待在遠(yuǎn)β穩(wěn)定線的原子核研究中得到檢驗(yàn)、深化與發(fā)展。隨著新核素的生成與鑒別，以及隨著對(duì)它們的衰變性質(zhì)及核結(jié)構(gòu)的研究，會(huì)不斷地有新的現(xiàn)象被揭示，人們對(duì)核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)也將不斷地深化。此外通過對(duì)遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線原子核的研究，還可能找到某些新的同位素和核燃料，為核能與核技術(shù)的應(yīng)用提供新的能源?？傊?，核物質(zhì)新形態(tài)的研究是一個(gè)十分廣闊而又值得探索的新領(lǐng)域，這一領(lǐng)域中的任何新的進(jìn)展都將能推動(dòng)與它有關(guān)的原子物理、天體物理、核化學(xué)以及放射化學(xué)的進(jìn)展。在核物質(zhì)新形態(tài)探索中，帶有重要影響的有重離子核物理、極端條件下原子核以及夸克-膠子等離子體的研究。1．重離子核物理這是近30年來(lái)，在核物理學(xué)研究中一個(gè)十分活躍又是極具有生命力的前沿領(lǐng)域。在本世紀(jì)50年代以前，人們?cè)谘芯吭雍说慕Y(jié)構(gòu)與變化時(shí)，只是利用質(zhì)量小的輕離子，如氦核、氘核、質(zhì)子、中子、電子和γ射線等轟擊原子核，這一研究已取得了多方面的成果。從50年代到60年代中期，隨著加速粒子能力的提高，人們開始使用高能碳、氮、氧核去轟擊原子核，主要進(jìn)行的是彈性散射與少數(shù)核子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。從60到80年代，重離子核反應(yīng)開始逐步成為獲得人工超鍆元素的主要手段。近20年來(lái)，大約以每年發(fā)現(xiàn)30～40種新核素的速度發(fā)展著。1982年5月11日，美國(guó)勞侖斯-伯克利實(shí)驗(yàn)室(LBL)第一次成功地獲得了地球上天然存在的最重元素鈾的裸原子核，并將其加速到每個(gè)核子147.7MeV的能量，整個(gè)鈾238離子的總能量達(dá)到35GeV。在這個(gè)能量上，離子速度達(dá)到了光速的二分之一。LBL的這一創(chuàng)舉，不僅開創(chuàng)了相對(duì)論重離子物理學(xué)，而且使核物理的研究跨入一個(gè)以前無(wú)法觸及的新領(lǐng)域，在這個(gè)新領(lǐng)域中，一些激動(dòng)人心的奇特現(xiàn)象引起了物理界的高度重視。LBL得到的高能鈾離子是由一臺(tái)稱為貝瓦萊克(Bevalac)的加速裝置獲得的。這臺(tái)加速裝置由兩部分組成。一部分是高能質(zhì)子同步加速器，它只能把質(zhì)子加速到10億電子伏，是40多年前建成，如今早已廢棄不用的老加速器，把它配了離子源和注入器，作為第一級(jí)加速器使用；另一部分是重離子加速器。通常，重原子的內(nèi)層電子由于強(qiáng)庫(kù)侖作用，被緊緊地束縛在原子核外的內(nèi)層，Bevalac先使鈾原子部分電離，形成帶少量正電荷的鈾離子。然后，令其加速，當(dāng)鈾離子的速度超過核外電子的軌道速度時(shí)，使鈾離子穿過某種金屬膜，就會(huì)有相當(dāng)多的電子被“剝離”，而形成帶較多正電荷的鈾離子，例如U68+。再使U68+繼續(xù)加速，再使其通過聚酯樹脂薄膜，得到U80+和U81+的離子混合物，最后再經(jīng)過一層厚的鉭膜，全部電子均被“剝”凈，從而得到了絕大多數(shù)的裸鈾核。應(yīng)用高能重離子可以研究核裂變的異常行為。在一般的原子核中，庫(kù)侖力與核力起著相互制約的作用。若核力較強(qiáng)，原子核比較穩(wěn)定；若庫(kù)侖力較強(qiáng)，核就容易裂變。由于中子只參與核力作用，似乎增加中子數(shù)可保持核的穩(wěn)定，然而，核力的力程極短，隨著距離增加，核力急劇下降，使原子有一個(gè)極限尺寸，超過這個(gè)極限，原子核將不能束縛更多的中子。可裂變的鈾核正處于核力與庫(kù)侖力相抗衡的狀態(tài)，它們稍微受到接觸就會(huì)裂解，之后，庫(kù)侖力占優(yōu)勢(shì)，使核裂片互相分離。在Bevalac中產(chǎn)生的相對(duì)論性高速鈾核就可以用來(lái)研究高能下核裂變行為。果然，把高能裸核注入乳膠探測(cè)器中，通過對(duì)徑跡分析發(fā)現(xiàn)，鈾核與探測(cè)器物質(zhì)原子核相撞，出現(xiàn)了一系列奇特現(xiàn)象。例如，在152個(gè)碰撞事例中，有半數(shù)事例的鈾核分裂成大小相差不多的兩塊，另外半數(shù)事件卻分裂成數(shù)塊，甚至在18%的事例中，鈾核被撞擊粉碎，而且入射能量越高，這種粉碎的事例越多，這類事件是高能核裂變的一種反常行為。用類氦鈾原子還可以對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)(QED)進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)，原子體系的躍遷能量可以用一個(gè)數(shù)學(xué)式表述，這是一系列冪指數(shù)漸增的連續(xù)項(xiàng)求和式，其中每一項(xiàng)都含有原子序數(shù)和精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。過去，在把這個(gè)表述式用于氫和氦等簡(jiǎn)單原子時(shí)，由于較高階項(xiàng)帶來(lái)的修正在實(shí)驗(yàn)中不易被察覺，常被略去不計(jì)，可是對(duì)于類氦鈾原子，這些高價(jià)項(xiàng)卻起著重要作用，在這種情況下，將對(duì)QED的理論進(jìn)行高階次的檢驗(yàn)。在高能重離子實(shí)驗(yàn)中，還發(fā)現(xiàn)了一種具有奇特性質(zhì)的“畸形子”，這是一種比通常的核更容易與物質(zhì)發(fā)生作用的原子核或核碎片。當(dāng)它們穿透物質(zhì)時(shí)，在沒有到達(dá)正常深度前，就已經(jīng)與物質(zhì)發(fā)生了作用，所以它們?cè)诎兄械倪\(yùn)動(dòng)深度比正常核碎片淺得多。近年來(lái)的一些高能重離子實(shí)驗(yàn)表明，大約有3%～5%的核碎片屬于畸形子。有一種說法認(rèn)為，它們可能就是一種“夸克-膠子”等離子體。在這類等離子體中，中子、質(zhì)子已被破壞得失去原來(lái)的特性，只剩下一團(tuán)夸克和體現(xiàn)夸克間相互作用力的膠子。包括LBL，目前世界上共有4臺(tái)高能加速器作為重離子核反應(yīng)的研究基地。到1982年為止，LBL已經(jīng)能加速直到鈾元素的全部重離子；美國(guó)布魯克海汶國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)可以把16O、32S、192Au加速到15GeV/N(eV/N為每核子電子伏）；歐洲原子核研究中心(CERN)可以把16O、32S加速到60GeV/N；美國(guó)布魯克海汶國(guó)家實(shí)驗(yàn)室擬在1996年建成的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)，投資4億美元。它建在原本為建造質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)所開掘的隧道里，隧道周長(zhǎng)3.8km。它包括兩個(gè)巨大的超導(dǎo)磁環(huán)，最大磁場(chǎng)3.8T，可以使質(zhì)量數(shù)小于或等于200的離子能量達(dá)到100GeV/N。它的一個(gè)重要目的就是研究在高溫、高密條件下，實(shí)現(xiàn)普通核到夸克-膠子等離子體的相變。在今后的20年內(nèi)，相對(duì)論重離子物理可望獲得重要進(jìn)展。2．相對(duì)論重離子物理研究(1)探索夸克-膠子等離子體(QGP)相對(duì)論重離子物理學(xué)是近年來(lái)發(fā)展較快的核物理前沿領(lǐng)域，也是今后若干年內(nèi)核物理的重要研究方向之一。它主要是研究在極高溫度（達(dá)到1012K，即太陽(yáng)中心溫度的60000倍）以及極高密度（10倍于正常核物質(zhì)密度）下，核由強(qiáng)子態(tài)向夸克物質(zhì)態(tài)，即夸克-膠子等離子體的相變。這項(xiàng)研究具有極其重要的意義。首先，夸克-膠子等離子體是人們長(zhǎng)期以來(lái)渴望求到卻又難以得到的一種物質(zhì)形態(tài)。夸克-膠子等離子體與一般的電的等離子體不同，在夸克-膠子等離子體中，夸克在強(qiáng)子外是自由的，而整體上又是色中性的。如果說，上一世紀(jì)給本世紀(jì)留下了兩個(gè)謎，一個(gè)是無(wú)絕對(duì)的慣性系，一個(gè)是波-粒二象性，這兩個(gè)謎已隨著愛因斯坦的相對(duì)論及量子力學(xué)的建成得以解決，那么，本世紀(jì)粒子物理學(xué)的發(fā)展又使另外兩個(gè)更深層次的謎，一是對(duì)稱性破缺，一是夸克禁閉呈現(xiàn)了出來(lái)。當(dāng)前，描述自然界四種基本作用的理論是，描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)，描述電-弱相互作用的SU(2)×U(1)的模型理論，描述引力作用的廣義相對(duì)論，這些理論的最終統(tǒng)一將使這兩個(gè)謎獲得最終解決，而相對(duì)論重離子物理研究又直接與這兩個(gè)謎相關(guān)，正因如此，有人稱這項(xiàng)研究具有“世紀(jì)性的地位”。根據(jù)核的相變理論，在正常溫度和正常密度ρN條件下，一般核物質(zhì)處于正常核態(tài)；但當(dāng)密度達(dá)到2ρN時(shí)，可能出現(xiàn)π凝聚，這是核物質(zhì)具有較高秩序的狀態(tài)，類似晶體點(diǎn)陣排列的原子；當(dāng)密度達(dá)到5ρN左右，單個(gè)核子產(chǎn)生許多新的激發(fā)能級(jí)，核變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的強(qiáng)子物質(zhì)；若再進(jìn)一步壓縮核物質(zhì)，使密度達(dá)到10ρN左右，核由強(qiáng)子激發(fā)態(tài)繼續(xù)發(fā)生相變，此時(shí)出現(xiàn)解除夸克禁閉，夸克跑出核子外，在比核子大得多的范圍內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，夸克與夸克間相互作用粒子組成夸克-膠子等離子體(QGP)。雖然這種理論分析尚有許多不確定因素，卻引起了許多人的興趣。人們一致認(rèn)為，高能重離子反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)這一相變的最有希望的途徑。有人估計(jì)，要實(shí)現(xiàn)普通核的非禁閉相變，核碰撞質(zhì)心能量要達(dá)到100GeV/N。預(yù)計(jì)在1996年建成的美國(guó)布魯克海汶國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)將能滿足這一要求。(2)格點(diǎn)規(guī)范場(chǎng)理論對(duì)相變條件的預(yù)言為探索夸克-膠子等離子體，首先應(yīng)從理論上估計(jì)核物質(zhì)由強(qiáng)子態(tài)向夸克-等離子體相變發(fā)生的條件。先從核物質(zhì)密度與強(qiáng)子密度之差估算相變所需要的能量。其結(jié)果是，當(dāng)核密度提高到正常態(tài)的4倍時(shí)，相變即可實(shí)施。然而這種方法僅只是一種估算，精確的方法應(yīng)采用格點(diǎn)規(guī)范理論。在強(qiáng)子尺度的小范圍內(nèi)，研究夸克的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，量子色動(dòng)力學(xué)采用了微擾展開的方法，這種微擾法取得了很大的成功。但是在大于強(qiáng)子的尺度上，夸克-膠子的等效相互作用強(qiáng)度并不小，由于交換動(dòng)量的結(jié)果，使夸克-膠子體系產(chǎn)生了各種非微擾量，原來(lái)的微擾法不再適用。在強(qiáng)相互作用中，這種非微擾效應(yīng)表現(xiàn)在多方面。從粒子的質(zhì)量看，質(zhì)子的質(zhì)量恰好是938MeV，△粒子的質(zhì)量是1236MeV，π0介子質(zhì)量是135MeV，為什么它們恰好是上述值，這實(shí)際上就是一種由非微擾效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果。此外，粒子的壽命、衰變現(xiàn)象、零點(diǎn)波函數(shù)、磁矩、結(jié)構(gòu)函數(shù)甚至真空結(jié)構(gòu)等，也都是夸克-膠子在大距離上的作用效應(yīng)，也屬于非微擾效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果。這些現(xiàn)象與非微擾效應(yīng)的關(guān)系，是粒子物理學(xué)中十分重要而又未被完全開發(fā)的領(lǐng)域。1974年，美國(guó)康奈爾大學(xué)的威爾遜(K.G.Welson)提出了格點(diǎn)規(guī)范場(chǎng)理論，用以解釋非微擾現(xiàn)象。其作法是，先設(shè)法在4維時(shí)空中取一系列等間隔的格點(diǎn)，連續(xù)的時(shí)空被一系列離散的格點(diǎn)所代替。他規(guī)定，膠子規(guī)范場(chǎng)只在格點(diǎn)間的鍵上起作用，而夸克費(fèi)窯場(chǎng)則定義在格點(diǎn)上。由上述場(chǎng)量組成的格點(diǎn)作用量具有規(guī)范不變性。當(dāng)格點(diǎn)間的距離趨于零時(shí)，格點(diǎn)作用量趨于原有的量子色動(dòng)力學(xué)作用量，格點(diǎn)規(guī)范理論趨于連續(xù)時(shí)空的規(guī)范理論，與連續(xù)時(shí)空的漸近自由相對(duì)應(yīng)。下一步做法是，先在格點(diǎn)體系中計(jì)算各個(gè)物理量，然后再把格點(diǎn)間距趨于零，就可望得到真正的物理量，特別是那些非微擾量了。事實(shí)上，微觀世界中的微擾量與非微擾量本是人為地劃分出來(lái)的。當(dāng)認(rèn)識(shí)水平未達(dá)到一定的層次時(shí)，先討論微擾量只是一種對(duì)復(fù)雜事物的簡(jiǎn)單處理方法。格點(diǎn)規(guī)范場(chǎng)理論的建立表明，人的認(rèn)識(shí)水平又向更高層次邁進(jìn)了一步。此外，由于粒子物理與統(tǒng)計(jì)物理的研究對(duì)象都是有無(wú)窮多自由度的體系，格點(diǎn)微擾理論把它們之間的相似性突出地表現(xiàn)了出來(lái)。然而，格點(diǎn)規(guī)范理論的計(jì)算是很復(fù)雜的，因?yàn)槊總€(gè)格點(diǎn)有四個(gè)正方向共四個(gè)鍵，在SU(3)規(guī)范不變條件下，每個(gè)鍵有8個(gè)獨(dú)立變量，每個(gè)格點(diǎn)又有正反夸克場(chǎng)，每個(gè)夸克場(chǎng)有4個(gè)Dirac分量，有三種色，至少有四種味，這樣一來(lái)，對(duì)于每邊有16個(gè)格點(diǎn)的四維立方體，就有200萬(wàn)個(gè)獨(dú)立變量。由于系統(tǒng)復(fù)雜，目前尚不能使用解析方法求解。但是由于理論的規(guī)范不變性，使討論對(duì)象具有群積分的性質(zhì)，可以用數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算。1981年，帕瑞西等人利用布魯克海汶國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的大型計(jì)算機(jī)，使用抽樣計(jì)數(shù)方法，即蒙特卡羅數(shù)值計(jì)算法，計(jì)算了這些群積分，不僅首次得到了π介子、質(zhì)子、△粒子等強(qiáng)子的質(zhì)量，而且還得到了π介子衰變常數(shù)以及標(biāo)志手征對(duì)稱性自發(fā)破缺不為零的數(shù)值。以后，又有人用同樣方法計(jì)算出更有意義的結(jié)果，例如證實(shí)了兩個(gè)重夸克之間的位勢(shì)隨距離的增加，呈現(xiàn)由庫(kù)侖位勢(shì)向線性位勢(shì)的變化。這一結(jié)果證明了夸克之間距離加大時(shí)，存在有越來(lái)越大的作用力，結(jié)果使它們“禁閉”起來(lái)（漸近自由）。計(jì)算結(jié)果還顯示，溫度增加到一定程度，即高能粒子互撞時(shí)，夸克的自由能突然加大。這表明，在高能散射中，它們有可能從“禁閉”中被“解放”出來(lái)，相變的臨界溫度為200MeV、密度為正常核密度的5倍以上，達(dá)到這一條件相變即有可能發(fā)生，這一結(jié)果確實(shí)給人極大的鼓舞。3．實(shí)驗(yàn)嘗試1986年，歐洲原子核研究中心(CERN)在SPS加速器上首次進(jìn)行了(60GeV～200GeV)/N的氧束流沖擊重靶的實(shí)驗(yàn)，這是一次較為成功的相對(duì)論重離子實(shí)驗(yàn)。在這以前所做的有關(guān)實(shí)驗(yàn)，如CERN的p-p，α-α實(shí)驗(yàn)；費(fèi)密實(shí)驗(yàn)室的p-p實(shí)驗(yàn)，雖然能量很高，但由于碰撞粒子的質(zhì)量太輕，高能密度聚集的范圍太小，而LBL的Bevalac上做的Kr束打靶實(shí)驗(yàn)，雖然粒子足夠重，但每個(gè)核子的能量只有1.8GeV，這個(gè)值又太低，使碰撞區(qū)的溫度不夠高。還有的雖然能量足夠高，但實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)性又太差，事例數(shù)太少，都未能獲得成功。在CERN的這次成功實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了人們所期待的“J/ψ抑制效應(yīng)”，它是QGP存在的跡象之一。根據(jù)理論分析，J/ψ粒子有三種衰變方式，它可能衰變成兩個(gè)電子，e+和e-；還可能衰變成兩個(gè)μ子，μ+和μ-；或者衰變成強(qiáng)子。在高能碰撞中，強(qiáng)子也可能產(chǎn)生J/ψ粒子。J/ψ粒子可以看作由c和粒子組成，自由的c對(duì)存在有束縛態(tài)。當(dāng)有QGP產(chǎn)生時(shí)，由于德拜屏蔽效應(yīng)的存在，會(huì)抑制c束縛態(tài)的出現(xiàn)，因而不能組成J/ψ粒子，或者說J/ψ中產(chǎn)生的幾率下降，于是J/ψ中粒子產(chǎn)額抑制現(xiàn)象常被當(dāng)作為QGP出現(xiàn)的信號(hào)。CERN使用的是200GeV/N的32S打擊238U，所形成的體系可能是發(fā)射π介子和K介子，也可能發(fā)射J/ψ粒子，J/ψ粒子又可能再衰變，通過衰變粒子，如μ+和μ-，來(lái)判斷J/ψ粒子的產(chǎn)額。在碰撞區(qū)形成一團(tuán)火球，邊緣地區(qū)的J/ψ粒子產(chǎn)額竟然是火球中心的1.6倍，由此判定，碰撞中心出現(xiàn)了J/ψ抑制，即有產(chǎn)生QGP的跡象。另一個(gè)顯示出現(xiàn)QGP跡象的實(shí)驗(yàn)是在美國(guó)布魯克海汶國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，這是測(cè)定K+/π+比例的實(shí)驗(yàn)。他們使用了14.5GeV/N的28Si束打擊Au靶，觀測(cè)K+與π+產(chǎn)額之比，并與質(zhì)子對(duì)撞情況相比較。他們認(rèn)為，如果有QGP產(chǎn)生，π+、K-和π+產(chǎn)額將減少，至多是不變，而K+的產(chǎn)額卻要增加，這樣一來(lái)，有QGP時(shí)，K+/π+產(chǎn)額比值應(yīng)加大。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：28Si打擊Au后，K+/π+產(chǎn)額比值由質(zhì)子對(duì)撞時(shí)的0.07上升為0.20，而K-/π-的比值則與質(zhì)子對(duì)撞時(shí)一樣。重離子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)是很復(fù)雜的。根據(jù)理論計(jì)算，在現(xiàn)有的條件下，對(duì)撞區(qū)的溫度可達(dá)到200MeV左右，這個(gè)溫度在相變臨界溫度附近，所形成的火球的橫向半徑大約有4.3～8.1fm，徑向半徑約有2.6～5.6fm。一個(gè)碰撞事例往往可以產(chǎn)生500個(gè)以上的次級(jí)粒子，處理這樣復(fù)雜的事例以及處理如此大量的特征信號(hào)是件極為困難的事，因此，通過上述特征估計(jì)QGP的形成仍只是一種試探。即使如此，由于理論物理學(xué)家已給出相變存在的可能性，也由于實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家又較成功地處理了如此復(fù)雜的反應(yīng)事例，還由于相對(duì)論重離子碰撞實(shí)驗(yàn)已達(dá)到了理論預(yù)言的能區(qū)，更由于這項(xiàng)研究目標(biāo)所具有的深遠(yuǎn)的意義，這一切都使得夸克-膠子等離子體的研究成為核物理學(xué)前沿的熱點(diǎn)課題之一。4．奇異核近年來(lái)所發(fā)現(xiàn)的另一種核物質(zhì)的新形態(tài)是包含其它強(qiáng)子的核多體系統(tǒng)，又稱奇異核，例如Λ超核、Ζ超核以及反質(zhì)子核等。目前只有Λ超核為實(shí)驗(yàn)所肯定，已開展了一些Λ超核譜學(xué)及生成Λ超核機(jī)制的研究。Λ超核最初是在宇宙射線研究中發(fā)現(xiàn)的。1952年，波蘭物理學(xué)家M.丹尼什和J.普涅夫斯基從暴露在宇宙射線核乳膠中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)特殊的事例。這是一個(gè)高能質(zhì)子擊碎了核乳膠中的銀原子，產(chǎn)生的一個(gè)碎片，再通過發(fā)射帶電π介子和一個(gè)質(zhì)子衰變，碎片衰變的特征與理論上預(yù)料的Λ超子完全相同，因而認(rèn)定這個(gè)碎片就是包含Λ超子的Λ超核。Λ超子是最輕的奇異重子，根據(jù)強(qiáng)相互作用要求，它的奇異數(shù)與重子數(shù)守恒，因而Λ超子在核物質(zhì)中相對(duì)強(qiáng)相互作用是穩(wěn)定的，只能產(chǎn)生弱相互作用衰變。Λ超核與Λ超子有幾乎相同的壽命，因而在實(shí)驗(yàn)中可以比較容易地觀察到Λ超核。到目前為止，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中觀察到幾十種Λ超核以及包含兩個(gè)Λ超子的雙超核，甚至包含若干個(gè)Λ超子的Σ超核。超核的發(fā)現(xiàn)，不僅打破了過去原子核只是由中子、質(zhì)子組成的傳統(tǒng)看法，而且通過超核的研究，還進(jìn)一步獲得了有關(guān)核結(jié)構(gòu)與強(qiáng)相互作用的認(rèn)識(shí)。超核物理已成為中、高能原子核物理研究的一個(gè)重要分支領(lǐng)域。奇異核伴隨有奇異的現(xiàn)象。首先，與普通核相比，奇異核有著特殊的衰變方式。普通核的衰變類型有：α衰變、β衰變（包括電子俘獲過程）、γ衰變（包括內(nèi)變換過程）和自發(fā)裂變等，奇異核則除了上述方式外，還有一些奇異的衰變方式。例如，奇異核β衰變可釋放很高的能量，經(jīng)β衰變后的末態(tài)核仍處于較高的激發(fā)態(tài)，若這一激發(fā)態(tài)的能量高于其中的核子或核子集團(tuán)的結(jié)合能時(shí)，這個(gè)末態(tài)核仍有可能把多余的能量釋放出來(lái)，退激發(fā)而變?yōu)橐环N新的核，稱為子核。這種奇異衰變分為兩個(gè)階段，同時(shí)有三代核素參與，然而由于第一階段的β衰變比第二階段緩慢得多，在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)時(shí)，僅觀察到第一階段的β半衰期，故常把這種放射性稱為β延遲粒子發(fā)射，或緩發(fā)粒子發(fā)射。其實(shí)，早在1916年盧瑟福(Rutherford，Ernest1871～1937)和伍德(Wood，RobertWilliams1868～1955)在研究212Bi引起的熒光現(xiàn)象時(shí)，就曾發(fā)現(xiàn)在大量具有一定能量的α粒子中，混有少量具有較高能量的長(zhǎng)射程α粒子，這實(shí)際上就是β衰變緩發(fā)α粒子。雖然他們觀察到這個(gè)現(xiàn)象，卻不明白其成因。直到1930年，伽莫夫(Gamow，George1904～1968)也觀測(cè)到了這個(gè)奇特的現(xiàn)象，才對(duì)它做出了解釋。伽莫夫認(rèn)為212Bi先經(jīng)過β衰變到212Po，如果212Po處于激發(fā)態(tài)，它再放出帶有該激發(fā)態(tài)能量的α粒子，這部分激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)化為α粒子的動(dòng)能，因而具有較高的能量。如果處于激發(fā)態(tài)的212Po先經(jīng)過γ發(fā)射回到基態(tài)，就會(huì)發(fā)射低能量的α粒子。212Bi就是緩發(fā)α粒子的先驅(qū)核，而末態(tài)核發(fā)射α粒子后變?yōu)?18Po，就是緩發(fā)α粒子的子核。盧瑟福、伽莫夫等人所觀測(cè)到的β緩發(fā)衰變僅只是一種天然放射現(xiàn)象。1937年，列維斯第一次人工地產(chǎn)生了β延遲α發(fā)射的先驅(qū)核8Li。1939年，羅伯茨又在中子轟擊鈾的實(shí)驗(yàn)中，首次探測(cè)到了β延遲的中子發(fā)射。50年代末，卡爾諾克霍夫首次觀測(cè)并鑒別出β延遲的質(zhì)子發(fā)射先驅(qū)核。此后，被發(fā)現(xiàn)的先驅(qū)核數(shù)量增加很快。近20多年來(lái)，大規(guī)模尋找緩發(fā)粒子的先驅(qū)核，并利用這種奇特的衰變方式研究奇異核的性質(zhì)已成為核物理研究中的一個(gè)重要課題。近十多年來(lái)，由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了β延遲衰變后兩個(gè)或三個(gè)核子發(fā)射的奇異衰變方式。1979年9月歐洲原子核研究中心的一個(gè)研究組觀測(cè)到了β延遲的二中子發(fā)射，以后又觀測(cè)到三中子發(fā)射。1984年，勞侖斯-伯克利實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究組在88英寸的回旋加速器上，觀測(cè)到了土22Al的β延遲二質(zhì)子發(fā)射現(xiàn)象。接著歐洲原子核研究中心又在線同位素分離器上發(fā)現(xiàn)了11Liβ延遲3He和3H的衰變。在奇異衰變研究中，值得注意的是重離子的奇異放射研究方面的進(jìn)展。1984年，牛津大學(xué)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇特的現(xiàn)象。223Ra的α衰變半衰期通常為11.4天，然而在這種衰變中，他們卻發(fā)現(xiàn)了能量在30MeV的14C離子。這一現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率很小，大約在109衰變中才有一次，由于他們沒有放過這個(gè)很容易被疏忽的現(xiàn)象，以后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了222Ra、224Ra和226Ra的14C衰變；230Th、231Pa、232U、233U和234U的24Ne衰變以及234U的28Mg衰變。這一放射性所發(fā)射的實(shí)際上是核子集團(tuán)，從而反映了核內(nèi)核子的組合方式。對(duì)這一奇異現(xiàn)象的解釋，以及尋找新的重離子發(fā)射核實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為核物理中活躍的研究領(lǐng)域。除了奇異的衰變方式以外，奇異核還表現(xiàn)出奇異的形變特性。過去，通常把核認(rèn)作為球形，如早期的核液滴模型以及獨(dú)立粒子殼層模型等。1952年阿·玻爾和莫特遜提出了原子核集體模型，利用這一模型計(jì)算核在各種情況下的能量時(shí)發(fā)現(xiàn)，有些核在特定的變形下能量最低，稍微偏離這種變形，能量上升很快，這種核被稱為硬的變形核；有的核在一定的變形范圍內(nèi)，能量的變化不大，被稱為軟的變形核。按照這一模型，除了核子可以在核內(nèi)運(yùn)動(dòng)外，原子核還可以作為整體振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。處于不同狀態(tài)的核，具有不同的能量和角動(dòng)量，并對(duì)應(yīng)一定的形狀，這些能量又不是連續(xù)的。通過大量的β穩(wěn)定線附近的核研究，人們已經(jīng)找到了核的能級(jí)分布與形狀間的關(guān)系。當(dāng)核轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果形狀發(fā)生變化，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相應(yīng)改變，就會(huì)導(dǎo)致核轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)分布情況變化。這一規(guī)律的研究已成為研究奇異核的基礎(chǔ)。在70年代，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，某些核可以有不同的形狀，它們對(duì)應(yīng)著不同的能級(jí)，有一組建立在球形基態(tài)上，能級(jí)的間隔較寬；另一組開始的間距較小，后來(lái)越來(lái)越大，它們對(duì)應(yīng)著硬變形核的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)。這種不同形狀的狀態(tài)在核中同時(shí)存在的現(xiàn)象，稱為形狀共存現(xiàn)象。對(duì)這一現(xiàn)象的研究，使過去曾被認(rèn)為截然不同的異形核與變形核之間找到了某種聯(lián)系。核的變形程度通常用一個(gè)參數(shù)β描述。β近似等于核長(zhǎng)短軸之差與兩軸平均長(zhǎng)度之比。典型變形核的β值在0.2～0.25范圍。β在0.35～0.4范圍時(shí)，稱為超變形核。超變形核的第一激發(fā)態(tài)能級(jí)往往很低。β值及極低的第一激發(fā)態(tài)成為超變形核的兩個(gè)判據(jù)。早在1981年，摩勒和尼科斯就曾根據(jù)對(duì)奇異核研究的結(jié)果從理論上預(yù)言，中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)在38附近的核，屬于自然界中最強(qiáng)變形的核。果然，人們?cè)谶h(yuǎn)離β穩(wěn)定線區(qū)域檢驗(yàn)球殼層模型中發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都接近幻數(shù)40的核，如74Kr、76Kr核具有非常大的變形。目前，奇異核研究已與重離子核物理相結(jié)合，人們廣泛采用中、高能重離子束，通過彈核破裂的反應(yīng)機(jī)制合成新的奇異核素，并通過核素分離產(chǎn)生的次級(jí)奇異核束流研究奇異核反應(yīng)及其性質(zhì)。在量子力學(xué)以前的背景下，愛因斯坦的相對(duì)論很好地符合了一種自然的二元觀，即自然界存在兩種事物，一種是粒子，另一種是場(chǎng)。而量子力學(xué)帶來(lái)了更加統(tǒng)一的觀點(diǎn)。在量子力學(xué)看來(lái)，像電磁場(chǎng)那樣的場(chǎng)的能量和動(dòng)量也是以一束束的形式出現(xiàn)的，那就是通常所說的光子；它與其他粒子一樣，只是碰巧沒有質(zhì)量罷了。同樣，引力場(chǎng)的能量和動(dòng)量也是以一束束引力子的形式出現(xiàn)的，也是無(wú)質(zhì)量的粒子。在量子力學(xué)里，兩個(gè)電子間的電磁力源于光子個(gè)交換；同樣，光子與電子之間的力源于電子的交換。物質(zhì)與力之間的差別基本上消失了，任何粒子都可以充當(dāng)某個(gè)力的承受者，而它們的交換也能產(chǎn)生其他的力。結(jié)合相對(duì)論原理與量子力學(xué)的唯一途徑是通過量子場(chǎng)論。量子力學(xué)和相對(duì)論之間幾乎是不相容的，但它們?cè)诹孔訄?chǎng)論中調(diào)和為粒子的相互作用方式，這完全是一種邏輯的剛性，為真實(shí)的基本理論賦予了美。物理學(xué)家想建立能描述更多現(xiàn)象的理論，所以他們應(yīng)該尋求盡可能有彈性的理論，但在基礎(chǔ)物理學(xué)中卻不是。我們所謂尋找某種普遍的東西，它統(tǒng)治著整個(gè)宇宙的一切現(xiàn)象。它能讓我們嚴(yán)格描述那幾個(gè)力――引力、弱電力、強(qiáng)力。物理學(xué)理論中的這種統(tǒng)一性是我們認(rèn)為美的一部分。我們?cè)谖锢韺W(xué)理論如廣義相對(duì)論或麥克斯韋方程組中看到的美，很像某些藝術(shù)品具有的美。它們都令我們感到這是自然的，自然而然的，我們不愿改變其中任何一個(gè)符號(hào)，一個(gè)筆畫或一根線條。不過，正像我們欣賞音樂、繪畫和詩(shī)歌一樣，那種自然的感覺是一種美的體驗(yàn)，不可能從公式推導(dǎo)出來(lái)，沒什么邏輯的公式能在美的解釋與單純的數(shù)字羅列之間畫出截然可分的界線，但我們知道它們是不同的。一個(gè)原理有了簡(jiǎn)潔性和統(tǒng)一性，我們才會(huì)認(rèn)真看待它。所以，我們的美學(xué)判斷不是發(fā)現(xiàn)科學(xué)解釋并判斷其有效性的最終唯一方法，我們?cè)谖锢韺W(xué)中看到的美的形式是很有限的。如果用語(yǔ)言來(lái)表達(dá)，我只能說那就是簡(jiǎn)潔性和統(tǒng)一性的美，和諧的結(jié)構(gòu)，一切都恰到好處地組合在一起，沒有需要改變的東西，存在著一種邏輯的自恰性，那就是自然和古典的美。在量子力學(xué)建立之初，分別是由薛定諤和海森伯兩人各自獨(dú)立完成的。薛定諤建立的理論被稱為波動(dòng)力學(xué)；而海森伯建立的理論被稱為矩陣力學(xué)。后來(lái)由薛定諤證明了這兩個(gè)理論完全是等價(jià)的，并統(tǒng)一稱作量子力學(xué)。海森伯在建立他的力學(xué)理論時(shí)，提出了一個(gè)被稱為海森伯乘法規(guī)則的計(jì)算法則，但是這套數(shù)學(xué)方法當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們并不熟悉，而且他自己也沒有把握。他把論文手稿送給M玻恩，玻恩回憶起大學(xué)時(shí)老師羅斯森講授過的代數(shù)理論，這種法則就是70多年前已被創(chuàng)立的矩陣演算。所以海森伯的理論就被稱為矩陣力學(xué)。如此的珠聯(lián)璧合，使人匪夷不解。數(shù)學(xué)家的美感是如何引出那么多年以后用于物理學(xué)的結(jié)構(gòu)的，盡管數(shù)學(xué)家可能對(duì)物理學(xué)應(yīng)用一點(diǎn)興趣也沒有。統(tǒng)計(jì)物理的一個(gè)基本思想是從成分粒子的動(dòng)力學(xué)出發(fā)，用統(tǒng)計(jì)的方法給出多粒子系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。而系綜理論則是統(tǒng)計(jì)方法。但傳統(tǒng)的物理課本中，討論的都是在原子分子層次上的統(tǒng)計(jì)物理，沒有指明隨著人類對(duì)物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)發(fā)展，會(huì)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)物理的重大發(fā)展。例如，當(dāng)人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)深入到核子這一層次時(shí)，特別是建立了核子動(dòng)力學(xué)的模型理論后，出現(xiàn)了與這種動(dòng)力學(xué)相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)，揭示有在核子層次上的物質(zhì)形態(tài)——核物質(zhì)或泛稱強(qiáng)子物質(zhì)。又如，當(dāng)人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)深入到夸克這一層次，建立了描述夸克相互作用的動(dòng)力學(xué)——規(guī)范場(chǎng)論時(shí)，就導(dǎo)致了夸克層次上的統(tǒng)計(jì)物理。其中特別引人注目的是以QCD為動(dòng)力學(xué)的統(tǒng)計(jì)物理，它預(yù)言了在夸克層次上的一種新物質(zhì)形態(tài)——夸克物質(zhì)或稱夸克膠子等離子體，開創(chuàng)了以探索夸克物質(zhì)為目的的新的研究領(lǐng)域。附錄1：-北京譜儀實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新粒子X18352006年1月6日，北京譜儀國(guó)際合作組在北京中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所和美國(guó)夏威夷大學(xué)同時(shí)宣布：在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上進(jìn)行的北京譜儀實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到一個(gè)新粒子，暫時(shí)命名其為X1835（X表示其基本結(jié)構(gòu)仍未確定）。這個(gè)新粒子是在分析粲粒子J/ψ衰變到一個(gè)光子和三個(gè)介子的過程中被發(fā)現(xiàn)的。它的質(zhì)量值約為18.35億電子伏特（即1835兆電子伏特，約為3.3×10-27千克），略低于二倍的質(zhì)子質(zhì)量值，而它的壽命非常短，僅為約10-23秒。該項(xiàng)研究成果去年12月31日已在國(guó)際著名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表，引起了國(guó)際高能物理界的極大興趣。X1835粒子之所以引起國(guó)際高能物理界的廣泛關(guān)注，不僅在于它是實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的一個(gè)新粒子，更因?yàn)樗赡苁窃诟吣芪锢韺?shí)驗(yàn)中尋找了幾十年的新型粒子。粒子物理學(xué)家認(rèn)為，夸克是自然界物質(zhì)的最小組成單元之一，自然界已確認(rèn)的參加強(qiáng)相互作用的粒子均由2個(gè)或3個(gè)夸克組成。粒子物理學(xué)家一直猜測(cè)應(yīng)該存在新型粒子，包括由多于3個(gè)夸克組成的多夸克態(tài)粒子、由膠子（傳播強(qiáng)相互作用力的基本粒子）和夸克混合組成的混雜態(tài)粒子以及由膠子組成的膠子球。因此，如果實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)這些新型粒子，無(wú)疑將是粒子物理研究的重大突破。因而這成為包括北京譜儀實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的許多高能物理實(shí)驗(yàn)的重要目標(biāo)。北京譜儀實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)X1835粒子的消息披露后，粒子物理學(xué)家對(duì)它的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了各種猜測(cè)。有些認(rèn)為X1835可能與兩年前北京譜儀在J/ψ粒子輻射衰變到質(zhì)子－反質(zhì)子過程中觀測(cè)到的一個(gè)可能的新粒子是同一個(gè)粒子，因而可能是質(zhì)子－反質(zhì)子束縛態(tài)（一種由六個(gè)夸克組成的新型粒子）。還有一些粒子物理學(xué)家則認(rèn)為它可能是膠子球或常規(guī)介子等。但目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還不足以對(duì)這些理論解釋和猜測(cè)做出最終判斷，因而引起了粒子物理學(xué)家極大的興趣和廣泛的爭(zhēng)論。最終確定X1835粒子的基本結(jié)構(gòu)需要更大量的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)和理論研究工作。此項(xiàng)研究得到了國(guó)內(nèi)理論物理學(xué)家的關(guān)心和大力支持，兩年來(lái)理論物理學(xué)家和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家多次聯(lián)合舉行了針對(duì)北京譜儀實(shí)驗(yàn)一系列新發(fā)現(xiàn)的專題研討會(huì)。理論和實(shí)驗(yàn)的聯(lián)合研究對(duì)此項(xiàng)研究取得重大進(jìn)展起了重要推動(dòng)作用。在兩方面的共同努力下，通過對(duì)X1835基本結(jié)構(gòu)的深入研究，有望取得該研究領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，促進(jìn)粒子物理基本理論的發(fā)展，加深我們對(duì)自然界的根本認(rèn)識(shí)。北京譜儀國(guó)際合作組是由來(lái)自中、美、日等國(guó)的二十多所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的物理學(xué)家組成，其中包括國(guó)內(nèi)的18所大學(xué)和研究單位。近幾年來(lái)，北京譜儀實(shí)驗(yàn)的物理分析研究取得了豐碩成果。合作組在國(guó)際一流期刊上發(fā)表了約60篇論文，尤其在多夸克態(tài)粒子尋找領(lǐng)域取得了一系列新發(fā)現(xiàn)，使我國(guó)高能物理實(shí)驗(yàn)研究在這一國(guó)際前沿領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。目前，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和北京譜儀正在進(jìn)行重大改造工程，計(jì)劃在2007年年中投入運(yùn)行，預(yù)期性能最終將提高100倍左右。屆時(shí)將能獲取比現(xiàn)有數(shù)據(jù)大約100倍的數(shù)據(jù)樣本，在此基礎(chǔ)上我們可以對(duì)X1835粒子等北京譜儀實(shí)驗(yàn)最近取得的一系列新發(fā)現(xiàn)進(jìn)行更加深入的研究。近日，新一屆擴(kuò)大后的北京譜儀國(guó)際合作組會(huì)議將在北京召開，來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、日本、德國(guó)、瑞典和俄羅斯等國(guó)家的100多位高能物理學(xué)家將共同探討如何在升級(jí)后的北京譜儀探測(cè)器上進(jìn)一步加強(qiáng)合作，做出更多更好的物理工作。(中國(guó)科學(xué)院高能物理所實(shí)驗(yàn)物理中心供稿)附錄2:新華社電從宇宙空間輻射到地球的諸多射線中是否存在超高能量的“超級(jí)宇宙射線”，就這個(gè)問題持對(duì)立意見的日美兩國(guó)科學(xué)家決定共同在美國(guó)猶他州的荒漠中展開龐大的觀測(cè)計(jì)劃。

論證“超級(jí)宇宙射線”是否存在一直被認(rèn)為是現(xiàn)代物理學(xué)的一大課題。所謂“超級(jí)宇宙射線”是指能量超過１０的２０次方電子伏特、數(shù)萬(wàn)億倍于普通宇宙射線的一種射線。日本東京大學(xué)科學(xué)家從１９９０年開始相關(guān)觀測(cè)，最終發(fā)表結(jié)果說，經(jīng)過１３年的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了“超級(jí)宇宙射線”。

若想徹底弄清事實(shí)，必須精確地觀測(cè)大量宇宙射線。日美兩國(guó)科學(xué)家于是共同組成研究小組，建設(shè)“望遠(yuǎn)鏡小路”（ＴＡ），并計(jì)劃從２００７年春天開始用幾年時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)，爭(zhēng)取為這個(gè)爭(zhēng)執(zhí)不下的問題得出最終結(jié)論。

《朝日新聞》日前報(bào)道說，正在建設(shè)中的“望遠(yuǎn)鏡小路”位于美國(guó)猶他州州府鹽湖城西南約２００公里的荒漠中，占地面積達(dá)７６０平方公里，其中共設(shè)置５７６處粒子檢測(cè)儀。這種儀器能夠探測(cè)到宇宙射線命中大氣中氮和氧的原子核時(shí)放出的粒子。（錢錚）附錄2：宇宙射線的各向異性及其圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)的證據(jù)[羊八井宇宙射線實(shí)驗(yàn)中方合作組

2007年5月17日，閱讀人數(shù)34人]

中國(guó)科學(xué)院發(fā)布的2007年《科學(xué)發(fā)展報(bào)告》的第四章論文《宇宙射線的向異性及其圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)的證據(jù)》，是處在中國(guó)西部西藏羊八井宇宙射線實(shí)驗(yàn)中方合作組的力作。

人類身處的銀河系是一個(gè)半徑達(dá)幾萬(wàn)光年的巨大空間，在這個(gè)巨大的空間中點(diǎn)綴著幾千億顆恒星。在浩瀚的星際空間中除了存在稀薄的氣體物質(zhì)外，還穿梭飛行著能量非常高的微觀粒子。這些粒子的主要成分是帶電原子核和電子，它們以接近光的速度飛行，被稱為宇宙射線。由于在星際空間中還分布著強(qiáng)度以微高斯計(jì)的磁場(chǎng)，它們可以束縛銀河系內(nèi)的宇宙射線，使其不能夠輕易逃逸出銀河系。探測(cè)、研究宇宙射線的成分、能量及不同方向上的強(qiáng)度分布等，為我們提供了豐富的信息來(lái)了解宇宙射線的起源和在星際空間中的傳播過程，同時(shí)也有助于我們了解銀河系的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

為了探索宇宙射線的奧秘，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)我國(guó)科學(xué)家付出了長(zhǎng)期艱苦不懈的努力。20世紀(jì)90年代初，中日科學(xué)家合作在我國(guó)西藏自治區(qū)拉薩市西北約90公里處的羊八井建成了國(guó)際上著名的宇宙射線觀測(cè)站（東經(jīng)90.5度，北緯30.1度，海拔4300米，圖1為觀測(cè)站的全景圖），中國(guó)方面由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的潭有恒研究員負(fù)責(zé)，日本方面由東京大學(xué)宇宙線研究所的湯田利典教授負(fù)責(zé)。該觀測(cè)站曾于1995年被美國(guó)《科學(xué)》雜志列為中國(guó)25個(gè)科研基地之一有六個(gè)可能的大科學(xué)計(jì)劃之一，也曾被美國(guó)芝加哥大學(xué)的諾貝爾獎(jiǎng)得主克羅寧（Cronin）教授譽(yù)為國(guó)際上最高品質(zhì)的地面宇宙射線觀測(cè)站。

現(xiàn)在羊八井宇宙射線觀測(cè)站配備有中國(guó)與日本合作的西藏大氣簇射探測(cè)器陣列（TibetAirShowerArray，簡(jiǎn)稱ASY，圖1中白點(diǎn)構(gòu)成的陣列）和中國(guó)與意大利使用的羊八井天體物理輻射地基觀測(cè)裝置（AstrophysicalRadiationwithGround-basedObservatoryatYamgBaJing，簡(jiǎn)稱ARGO-YBJ，圖1中右邊的藍(lán)頂實(shí)驗(yàn)大廳）。其中，ASy大氣簇射實(shí)驗(yàn)陣列已經(jīng)建成運(yùn)行了16年，并經(jīng)歷了3次大的改進(jìn)，在高能宇宙射線觀測(cè)實(shí)驗(yàn)研究中取得