2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——粒子物理學(xué)與核物理學(xué)的結(jié)合研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡要說明構(gòu)成原子核的核子（質(zhì)子和中子）為何需要結(jié)合理論（如費米氣體模型或核力介觀理論）來描述其行為，而單個核子（作為基本粒子）則主要由標準模型描述。請闡述兩種描述在哪些方面存在差異，并舉例說明。二、描述在深度非彈性散射實驗中觀察到的現(xiàn)象（如噴注、尺度和雙峰結(jié)構(gòu)），并解釋這些現(xiàn)象如何支持部分子模型（QuarkModel）以及核子內(nèi)部并非均勻分布的觀點。請區(qū)分描述強子（hadron）層次和部分子（parton）層次的特征。三、考慮一個由質(zhì)子和中子組成的輕核（例如氘核或氚核）。請分別從核力（強相互作用）和量子色動力學(xué)（QCD）的角度，定性描述該核系統(tǒng)可能存在的束縛態(tài)或激發(fā)態(tài)的性質(zhì)。重點比較兩種描述在解釋核結(jié)合能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面的異同點。四、β衰變是弱相互作用的一種重要表現(xiàn)。請解釋中微子（neutrino）在β?衰變過程中的角色和物理意義。若考慮更高精度的弱相互作用理論（如CP破壞），請簡述其在β衰變研究中的體現(xiàn)及其對核物理實驗（如β譜shapes）的影響。五、宇宙射線中的高能質(zhì)子與大氣層相互作用會產(chǎn)生一系列次級粒子，包括π介子、μ子等。請描述這一過程的基本機制，并說明這些次級粒子如何被用于研究地球大氣層的高層結(jié)構(gòu)或探測超新星遺跡等天體物理現(xiàn)象。在此過程中，核物理和粒子物理知識如何相互支撐？六、簡述核天文學(xué)中利用伽馬射線天文學(xué)研究恒星核合成（如質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)、CNO循環(huán)）的基本原理。說明探測器如何工作，以及如何通過分析特定伽馬射線線（如7Be的衰變產(chǎn)生的57Co的γ射線）的能量和強度來推斷恒星內(nèi)部的核反應(yīng)速率和恒星演化階段。指出其中涉及的關(guān)鍵核物理和粒子物理過程。七、在研究重離子碰撞（HeavyIonCollisions,HICs）產(chǎn)生的夸克-膠子等離子體（Quark-GluonPlasma,QGP）時，實驗上常常需要精確測量碰撞產(chǎn)生的各種強子（如π介子、質(zhì)子、重子）的產(chǎn)額譜。請討論核物理中的衰變動力學(xué)（如部分和部分子模型，PartialWaveAnalysis）如何在理解這些強子譜的形狀、寬度以及它們隨碰撞能量的變化中發(fā)揮作用？說明核物理知識和粒子物理實驗數(shù)據(jù)的結(jié)合點。八、設(shè)想一個實驗，旨在利用探測器陣列測量來自遙遠超新星爆發(fā)的中微子束。請概述該實驗的基本設(shè)計思想，需要克服的主要技術(shù)挑戰(zhàn)（特別是區(qū)分大氣背景中微子與信號中微子），并簡述如何利用核物理和粒子物理的知識來優(yōu)化探測器性能和數(shù)據(jù)分析方法，以提高信號探測的靈敏度。試卷答案一、核子需要結(jié)合理論描述其行為，是因為它們并非自由存在的基本粒子，而是通過強大的核力（強相互作用）緊密束縛在原子核中，形成復(fù)雜的系統(tǒng)。費米氣體模型主要考慮核子間的平均場效應(yīng)和泡利不相容原理，適用于描述核子動能和某些集體運動。核力介觀理論則基于核子交換介子（如π介子、ρ介子等）的圖像，更具體地描述了核子間的吸引和排斥作用。標準模型描述基本粒子及其相互作用，將質(zhì)子和中子視為由夸克和膠子組成的復(fù)合粒子，關(guān)注更深層次的強相互作用動力學(xué)。差異主要體現(xiàn)在：核力理論關(guān)注核子間的直接或間接作用以及核系統(tǒng)整體特性；標準模型關(guān)注核子內(nèi)部的夸克結(jié)構(gòu)及強子作為復(fù)合粒子的行為。例如，標準模型解釋了質(zhì)子質(zhì)量（約938MeV）與構(gòu)成它的夸克質(zhì)量（約3個u夸克，總質(zhì)量約330MeV）之和的巨大差異（主要來自膠子能量和夸克動能），這是單純的核力模型難以直接解釋的。二、深度非彈性散射實驗中，高能電子與核子發(fā)生散射，觀察到噴注（jet）現(xiàn)象，即碰撞產(chǎn)生的強子（包括夸克和膠子）幾乎同時噴射出來，形成方向集中的束流。這表明核子內(nèi)部并非均勻分布，而是由更基本的粒子（部分子）組成。尺度和雙峰結(jié)構(gòu)則指實驗測量到的電子散射截面隨動量轉(zhuǎn)移Q2的變化曲線呈現(xiàn)兩個明顯的峰值（共振峰區(qū)和硬散射區(qū)）。共振峰區(qū)對應(yīng)于核子內(nèi)部子結(jié)構(gòu)（部分子）的激發(fā)態(tài)，硬散射區(qū)則反映了部分子之間碰撞的動力學(xué)行為。這些現(xiàn)象共同支持了部分子模型，該模型認為強相互作用的基本單元是夸克和膠子，核子是它們的束縛態(tài)。三、對于輕核，核力（強相互作用）提供主要的束縛能，使質(zhì)子和中子克服靜電排斥力結(jié)合在一起。費米氣體模型可以定性解釋輕核的束縛能主要來源于核子動能，并預(yù)測基態(tài)核子數(shù)與粒子數(shù)相等。例如，氘核由一個質(zhì)子和一個中子組成，其結(jié)合能約為2.2MeV。從QCD角度看，質(zhì)子和中子是夸克復(fù)合系統(tǒng)（質(zhì)子由2u夸克和1d夸克組成，中子由1u夸克和2d夸克組成）。核力的存在使得夸克能夠束縛形成質(zhì)子和中子，進而形成原子核。QCD解釋了質(zhì)子和中子質(zhì)量的不對稱（中子質(zhì)量略大于質(zhì)子質(zhì)量，源于海森堡不確定性原理對d夸克質(zhì)量更敏感以及夸克內(nèi)部自旋軌道耦合的差異），以及核力的介觀機制（π介子交換等）與QCD基本相互作用（膠子交換）的聯(lián)系。兩種描述的比較：核力理論關(guān)注整體束縛和集體行為；QCD關(guān)注更深層次的夸克和膠子動力學(xué)，能更精確地解釋質(zhì)量差異和更復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但計算更為復(fù)雜。四、在β?衰變（一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子、電子和一個反電子中微子）中，中微子的角色是傳遞弱相互作用，并帶走一部分衰變能量和角動量。其物理意義在于：首先，中微子的存在是弱相互作用具有宇稱不守恒的直接實驗證據(jù)，因為只有中微子是中性且不帶spin的粒子，其出現(xiàn)方式才能完美解釋實驗觀察到的角分布；其次，中微子使得β衰變譜是連續(xù)的而非分立的，因為衰變能量在電子、反電子中微子和剩余原子核之間分配。在考慮CP破壞的弱相互作用理論中，β衰變到同一核級的兩種互為CP共軛的狀態(tài)（如從核態(tài)|J;P?到同能量但宇稱為-J;-P的核態(tài)）的壽命差（Δμ）與CP破壞參數(shù)K相聯(lián)系。這允許通過精確測量β衰變的壽命差來尋找和限制CP破壞效應(yīng)，例如在雙β衰變（涉及兩個中微子）或極化β衰變中尋找CP破壞跡象，這些實驗對理解中微子性質(zhì)和基本物理規(guī)律至關(guān)重要。五、高能宇宙射線質(zhì)子與大氣層頂部（如平流層）相互作用，發(fā)生核相互作用（主要是散裂和深度非彈性散射），產(chǎn)生豐富的次級粒子，包括π介子（會衰變?yōu)棣套雍椭形⒆樱?、μ子以及其他核子等。這些次級粒子繼續(xù)向下傳播并相互作用，形成復(fù)雜的次級粒子簇射。通過部署探測器陣列（如地面宇宙射線觀測站）來測量這些次級粒子的種類、能量、方向等信息。例如，μ子由于其穿透力強，可以到達地表深處，其能量譜和方向分布可以反映產(chǎn)生它們的原始質(zhì)子能量譜和大氣層頂部的物理條件。特定伽馬射線線（如57Co→56Fe+γ,Eγ≈122keV）可以由大氣中產(chǎn)生的放射性同位素（如由宇宙射線中子活化產(chǎn)生的12?I→12?I→12?Xe→12?Ce+γ）的衰變產(chǎn)生。通過測量這些特征伽馬射線的強度隨時間和天頂角的分布，可以反演出產(chǎn)生這些放射性同位素的核反應(yīng)（如宇宙射線與氮、氧核反應(yīng)）的速率，進而研究大氣層的化學(xué)成分、密度垂直分布以及太陽活動對大氣的影響。核物理知識（核反應(yīng)截面、放射性衰變數(shù)據(jù)、放射性示蹤原理）和粒子物理知識（高能粒子與物質(zhì)的相互作用、次級粒子識別）共同支撐了這一研究。六、核天文學(xué)利用伽馬射線天文學(xué)研究恒星核合成，基本原理是探測恒星內(nèi)部核反應(yīng)（如質(zhì)子-質(zhì)子鏈、CNO循環(huán)）產(chǎn)生的特定能量（特征能量）的伽馬射線光子。恒星內(nèi)部產(chǎn)生的伽馬射線光子在向外傳播過程中會被恒星物質(zhì)吸收和散射，經(jīng)歷復(fù)雜的能量損失和路徑彎曲，使得到達地球的觀測信號非常微弱且難以直接關(guān)聯(lián)到具體核反應(yīng)。然而，某些半衰期較短的放射性同位素（如1?B,1?Be,?Be,??Co等）在恒星內(nèi)部產(chǎn)生后，會衰變發(fā)射出能量確定的伽馬射線（如1?B(n,α)?Be→?Be+α,Eγ≈569keV;?Be+e?→?B+ν?+γ,Eγ≈862keV;??Co→??Fe+γ,Eγ≈122keV）。通過部署高能伽馬射線望遠鏡（如費米太空望遠鏡）長時間積累數(shù)據(jù)，可以探測到來自特定天體（如太陽、紅巨星、超新星遺跡）的這些特征伽馬射線線。分析線的強度可以推斷產(chǎn)生該同位素的核反應(yīng)速率，進而推算恒星內(nèi)部核合成元素的比例（如碳、氧等）及其隨恒星演化階段的變化。其中涉及的關(guān)鍵核物理過程包括：恒星核反應(yīng)（質(zhì)子-質(zhì)子鏈、CNO循環(huán)、氦燃燒等）、放射性同位素的產(chǎn)生（通常由中子俘獲鏈或質(zhì)子俘獲鏈的中間產(chǎn)物衰變而來）、放射性衰變以及伽馬射線與物質(zhì)的相互作用。七、在研究重離子碰撞（HICs）產(chǎn)生的夸克-膠子等離子體（QGP）時，核物理的衰變動力學(xué)對于理解實驗測量的強子（π介子、質(zhì)子、重子）產(chǎn)額譜至關(guān)重要。一方面，強子譜（特別是π介子譜）包含了關(guān)于碰撞初始狀態(tài)（如初始能量密度、溫度）和QGP演化（如膨脹、淬滅）的信息。部分和部分子模型（PPA）或部分和子模型（PSA）等核物理方法被用來模擬強子如何從復(fù)雜的夸克膠子等離子體相或共軛相（共軛相指由強子組成的類似QGP的狀態(tài)）中衰變出來。這些模型基于費曼圖和微擾QCD，計算強子與夸克膠子散射產(chǎn)生的衰變幅，考慮了不同夸克和膠子組分、強子自旋宇稱以及非微擾效應(yīng)（如重子化、手征性）的影響。通過擬合實驗測量的強子譜形狀（如寬度、振蕩頻率）和產(chǎn)額隨碰撞能量（能量依賴性）、中心快度（centrality）的變化，可以檢驗和約束QGP的物理性質(zhì)（如夸克膠子等離子體的壽命、膨脹參數(shù)、夸克膠子分布函數(shù)等）。例如，π介子譜的形狀變化可以反映QGP相中強子介觀性質(zhì)的演化。強子物理知識和QGP實驗數(shù)據(jù)的結(jié)合點在于：利用強子衰變模型計算預(yù)期信號，與實驗數(shù)據(jù)比較以推斷QGP的性質(zhì)；反過來，QGP的性質(zhì)可以用來約束強子衰變模型中未知的輸入?yún)?shù)（如夸克膠子分布）。此外，精確測量不同種類強子（如不同自旋宇稱的重子）的產(chǎn)額比也有助于區(qū)分不同的強子產(chǎn)生機制（直接產(chǎn)生vs.從QGP衰變）。八、探測來自超新星爆發(fā)的中微子實驗設(shè)想：基本設(shè)計思想是利用大體積、大效率的中微子探測器陣列，部署在地下以屏蔽大氣背景輻射和地球放射性噪聲。實驗通常采用水切倫科夫探測器（如冰立方、安大略湖中微子天文臺）或包含有機液體、閃爍體的探測器（如超級神岡、大亞灣）。當高能中微子與探測器中的水或液體分子相互作用產(chǎn)生帶電粒子（μ子或電子）時，粒子在介質(zhì)中運動產(chǎn)生切倫科夫輻射，被探測器中的光電倍增管陣列記錄，從而探測到中微子事件。主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：1）大氣背景中微子（尤其是大氣μ子）的巨大本底遠超信號；2）有效區(qū)分大氣背景信號與來自超新星的信號（可能具有不同的能量譜、角分布）；3）探測器的能量分辨率和本底抑制能力；4）對超新星爆發(fā)方向的精確預(yù)言或?qū)θ爝M行廣域掃描。利用核物理和粒子物理知識優(yōu)化實驗和分析：1）核物理知識用于設(shè)計探測器材料（如選擇低本底的液體、優(yōu)化水化學(xué)成分）、理解探測器響應(yīng)（如中