2025年原子核物理科技熱點回眸

原文發表于《科技導報》2026 年第1 期 《 2025年原子核物理科技熱點回眸 》

2025年，原子核物理研究迎來了跨尺度、多學科融合發展的關鍵節點。《科技導報》邀請馬余剛院士團隊撰寫文章，回顧了2025年在原子核結構、重離子碰撞、核天體物理、對稱性測量等方向上的代表性成果，以及核物理方法學、量子計算、機器學習與跨領域應用；著重介紹了中國團隊相關的高水平工作，展望未來10年原子核物理的發展趨勢。

進入21世紀后，原子核物理雖已有了長足的發展，但仍面臨著挑戰，如圖1所示，這些問題圍繞核物理的根本科學問題與國家戰略需求展開。中國在這些領域的參與也正在進入一個新階段。我們的研究旨在以通俗科學的視角回顧這些研究進展，聚焦最具代表性的2025年成果及其科學意義，力圖呈現原子核物理的“現狀快照”與“未來走向”。

圖1 核科技前沿十問

1

放射性核束物理：

從核力起源到極限核素的奇特結構

2025年，放射性核束物理領域迎來了前所未有的發展機遇，全球多個放射性束流裝置，如日本理化研究所RIKEN的放射性同位素束流工廠RIBF、美國密歇根州立大學的稀有同位素束流設施FRIB，其技術取得顯著進步。特別地，位于中國惠州的強流重離子加速器裝置（HIAF），于今年10月完成束流調試，從滴線核素到超重元素，并揭示核力、殼結構演化以及集體運動模式的豐富物理內涵（圖2）。

圖2 位于廣東惠州的強流重離子加速器裝置（HIAF）

1.1 奇特核結構與殼結構演化

過去30年間，在快速擴張的核素圖上，弱束縛不穩定核中涌現出許多奇異的結構和動力學現象。這一快速發展領域的研究進展對多個關鍵交叉學科領域具有深遠影響。

在輕核區域，南方科技大學核物理團隊與國際合作組在10Be中觀測到的近閾偶極共振，為核團簇結構研究提供了新的視角，為10Be中顯著的α團簇結構提供了確鑿證據（圖3）。

圖3 10Be基態與低激發態的價核子密度分布

原子核殼層結構與形變現象是核物理的基本概念，其代表著原子核單粒子性與集體性的互相競爭。北京大學、華東師范大學團隊與合作者對豐中子銀同位素128Ag的譜學研究揭示了銀同位素中N = 82閉殼結構。他們首次識別了一個新的長壽命同核異能態，即原子核的“長壽命激發態”，為奇?奇核中的seniority結構提供了一個良好案例。

同時，高精度質量測量也為滴線區的核結構提供了新的見解。在質子滴線附近，中國科學院近代物理研究所通過Bρ定義的等時質量譜技術，首次對質子滴線核22Si進行了質量測量。通過分析相鄰sd殼核的質量差異，他們發現22Si表現出與其鏡像伙伴22O相似的雙滿殼特征，但鏡像能量差偏離了系統性。

1.2 開放量子體系的奇特衰變

位于滴線附近及外側的原子核是核物理研究的前沿領域。近年來，在一些極缺中子核素中甚至觀測到三質子、四質子乃至五質子協同發射現象。這些奇異衰變模式成為研究不穩定核結構的重要探針，為探索極端條件下的量子系統提供了“理想實驗室”。

在滴線區域，質子?中子數量失衡常會引發鏡像對稱性破缺現象。中國科學院近代物理研究所的研究團隊與國際合作者首次發現20Al同位素存在三質子發射現象。該研究對極端開放量子系統的理論描述提出了新的挑戰。

在豐中子核區，首次在電子散射實驗中產生了豐中子氫同位素6H。復旦大學研究團隊與國際團隊獲得了6H的缺失質量譜。在3H+n+n+n能量閾值之上觀察到一個清晰的峰，得到6H基態能量為2.3±0.5(stat)±0.4(syst)MeV，寬度為1.9±1.0(stat)±0.4(syst)MeV（圖4）。該工作對多核子相互作用的理解提出了新的挑戰，并給出一種利用電子散射實驗研究極豐中子輕核的新方法。

圖4 6H的基態能量與衰變寬度

1.3 原子核反應

原子核反應是核物理研究的重要手段，也對研究核結構、測試原子核理論具有重要意義。西安交通大學與蘭州大學的團隊研究了平面波電子和渦旋電子激發巨共振中的角動量轉移，建立了一個能夠分辨角動量的非彈性電子散射理論。他們發現即使是平面波電子也可以通過選擇散射電子的特定角動量態，獨立于模型提取更高多極性的躍遷強度（圖5），這為核結構研究提供了新的視角。

圖5 原子核對平面波與渦旋電子的響應

1.4 激光光譜與核矩測量

在電荷半徑測量方面，北京大學研究團隊與國際合作者利用歐洲核子中心（CERN）的同位素質量分離器（ISOLDE）使用共線激光光譜，測量了豐中子鈧同位素47?49Sc的核電荷半徑。成功解釋鈣同位素半徑的理論模型無法解釋觀測到的鈧半徑行為（圖6）。研究證明這種趨勢與seniority模型的預測一致。該實驗表明，開發的高分辨率、高靈敏度共線共振電離光譜系統，為精密核譜學測量提供了強大的實驗工具。與此同時，基于共振X射線散射的核相位檢索光譜方法也為核能級結構研究提供了新的技術途徑。

圖6 Sc同位素的電荷半徑

1.5 核力的Ab initio描述與三體力效應

在核力基本性質研究方面，研究報告了使用手征超子?核子與三體力對輕Λ超核的系統研究，揭示了超核結構與相互作用的細致特征。

北京航空航天大學的研究人員與合作者在Ab initio計算方面也做出了重要貢獻。其中，對7Be到12Be的鈹同位素進行的系統研究中使用原子核格點有效場理論和N3LO相互作用。通過結合多體密度算符的蒙特卡洛采樣算法，能自然地顯現顯著的雙中心團簇結構、單中子暈，以及復雜的類分子結構如π軌道和σ軌道。

類似的格點有效場理論也被南開大學的研究人員與合作者應用到16O到20O氧同位素的電荷和物質半徑研究中。另一方面，北京大學研究團隊與合作者提出了低能中子?α散射可以作為長程三核子力的靈敏而干凈的探針。該工作揭示了手征對稱性在少體領域中的預測能力，并為探測和約束三核子力開辟了新的方向。

放射性核束物理在2025年取得了豐碩成果，從超重核的合成到滴線核素的結構研究，從核力的Ab initio描述到新型實驗技術的發展，各個方向都有新的突破。

2

重離子碰撞與夸克?膠子等離子體：

從完美流體到量子結構的深入探索

2025年，重離子碰撞物理研究在多個前沿方向取得了突破性進展。從夸克?膠子等離子體（QGP）集體行為的精確表征到噴注與介質相互作用的微觀機制，從重味夸克探針到量子色動力學（QCD）相結構的臨界點搜索，研究深度和廣度均顯著拓展。中國科研團隊在理論模擬、實驗分析和新觀測量的提出等方面做出了突出貢獻。

2.1 集體流與流體動力學行為

集體流是重離子碰撞中產生的集體運動模式。近期復旦大學團隊研究了橫動量和粒子多重數之間漲落的關系，特別關注它們對提取QCD聲速的影響。這個框架為在不同尺度的碰撞系統中探測熱化和提取熱力學性質提供了一個穩健的診斷工具。

2.2 噴注淬火與部分子能量損失

噴注物理也在2025年取得了重要進展。山東大學與華中師范大學團隊研究了重味噴注在真空和QGP中噴注子結構上的質量效應（圖7）。由于能量?能量關聯（EEC）在不同尺度上對噴注物理的強敏感性，因此是研究噴注子結構的極好觀測量。噴注EEC的這些特性可以用來探測不同尺度的噴注?介質相互作用物理，該性質有望不久能得到實驗驗證。

圖7 pp碰撞中不同噴注的能量關聯

在噴注?強子關聯方面，華中師范大學研究團隊提出使用噴注?強子關聯的快度不對稱性作為雙噴注中擴散尾跡的穩健且無背景的信號（圖8）。這種不對稱性出現是因為一個噴注的擴散尾跡相對于另一個噴注移動到了有限的快度。未來這種快度不對稱性的測量可為噴注誘導的擴散尾跡和QGP的性質提供更精確的物理依據。

圖8 噴注?強子關聯的快度不對稱性作為雙噴注中擴散尾跡的穩健且無背景的信號

2.3 重味夸克

山東大學團隊研究了使用極化輕子束的準單舉深度非彈性散射中的Λ產生，發現自旋傳遞被靶碎裂顯著抑制。自旋傳遞以及其他自旋效應為產生的強子的起源提供了靈敏的探針。

2.4 初始狀態與QCD物理

在原子核的初態研究方面，來自國內多家單位的研究團隊以質子?原子核碰撞中的直接光子產生為例，首次澄清了在物理可觀測量層面上色玻璃凝聚（CGC）和高扭（HT）之間的關系。這樣的統一圖景為從稀薄到稠密區域映射核介質中部分子密度的相圖鋪平了道路。

2.5 熱QCD物質與狀態方程

在QCD相結構方面，復旦大學與大連理工大學團隊研究了QCD相變對夸克自旋漲落和關聯的影響。他們提出了夸克?反夸克關聯，這與矢量介子自旋排列和
關聯相關，并且可以作為QCD相圖中臨界終點（CEP）的新探針（圖9）。研究揭示了在手征相變的CEP附近出現峰值結構，這可能作為CEP的實驗特征，并解釋了最近實驗中在低碰撞能量下觀察到的?介子排列的非單調行為。

圖9 QCD相變對夸克自旋漲落和關聯的影響

2.6 自旋極化與手征效應

在自旋極化研究方面，復旦大學團隊提出一種通過重離子碰撞測量超氚核（
）與Λ超子自旋極化來間接獲取質子自旋極化的新方法。該方法利用形成時保留核子與Λ自旋信息的特性（圖10）。模擬驗證該關系在寬能區下可靠，為研究輕夸克自旋動力學、強子自旋輸運及質子自旋結構提供了實驗可行的新途徑。

圖10 重離子碰撞中質子自旋極化示意

2.7 跨能量尺度原子核結構交叉研究

在跨能量尺度原子核結構交叉研究方面，復旦大學團隊與國際合作者也取得了重要進展，相對論重離子對撞機?大型超導螺線管實驗裝置（RHIC?STAR）國際合作組在高能重離子碰撞實驗成像研究高階形變首次顯著地觀測到鈾?238原子核基態“梨形”結構。

重離子碰撞物理在2025年取得了多角度且深入的進展。從集體流到噴注淬火，從重味探針到QCD相結構，都呈現出蓬勃發展的態勢。

3

核天體物理：

從核結構到宇宙極端物質的橋梁

從恒星核合成過程的理解到中子星內部結構的探測，從核反應率的精確測量到多信使天文學的融合，核天體物理正在經歷一個前所未有的發展時期。中國科研團隊在核天體物理過程模擬、核反應測量和理論模型構建等方面做出了重要貢獻。

3.1 恒星核合成與核反應率

2025年，北京航空航天大學研究團隊與國際合作組在核天體物理反應率研究方面取得了重要進展。研究通過木馬（Trojan horse）方法間接測量了覆蓋天體物理能量的19F(p,αγ)16O截面（圖11）。分析表明，該測量對關于氟和較重元素豐度的現有預測提出了挑戰。

圖11 19F(p,αγ)16O截面

3.2 高精度核天體反應數據

光中子反應截面是核物理、核天體物理及核技術應用中的關鍵參數。中國科學院上海高等研究院、上海應用物理研究所與復旦大學團隊依托上海激光電子伽馬源（SLEGS）實驗平臺（圖12），對金?197和鋱?159的光中子反應截面進行了首次系統測量。這一工作為解決該領域自20世紀60年代以來長期存在的數據系統性差異問題，提供了高精度的新實驗基準，為精確理解恒星內部的核合成過程奠定了更可靠的數據基礎。

圖12 SLEGS線站布局示意

3.3 致密天體與狀態方程

國內團隊在致密天體方面也有多項重要進展。上海交通大學研究團隊通過對有限溫度下夸克星發生并合時拋射出的非平衡狀態方程的首次計算，確定了二元夸克星或夸克星?黑洞合并的噴射物性質。該研究提出未來對二元合并和千新星的觀察可以對夸克物質的結合能和夸克星的存在施加嚴格約束。

蘭州大學研究團隊研究了從GW170817推斷的潮汐極化率Λ1.4和由PREX?2測量的208Pb中子皮厚度的多極相關性（圖13）。此外，從這些數據集對

K

圖13 潮汐極化率與208Pb中子皮厚度的相關性

3.4 核天體物理中的弱相互作用

在弱相互作用過程研究方面，西南大學與上海交通大學團隊研究了強磁場對rp過程（快質子俘獲過程）等待點有效恒星β+和電子俘獲率以及相應中微子能量損失率的影響。增強的弱衰變率可能顯著改變等待點原子核的壽命，從而可能修改當前對rp過程的理解。

核天體物理在2025年取得了新的進展。從恒星核合成過程的理解到中子星內部結構的探測，從核反應率的精確測量到多信使天文學的融合。

4

弱相互作用與基本對稱性：

精密核過程的新物理窗口

從中微子質量測量到基本對稱性檢驗，從稀有過程搜索到新相互作用探測，核物理的研究方法為探索超越標準模型的新物理提供了獨特而靈敏的探針。

4.1 無中微子雙β衰變搜索

在無中微子雙β衰變（0νββ）搜索方面，復旦大學等參與的CUORE合作組開發的工具和技術以及近1000個探測器5年的穩定運行體現了可作為未來實驗的關鍵基礎設施，并能夠在多個同位素中搜索0νββ（圖14）。

圖14 CUORE實驗對中微子質量次序的約束

理論方面，降低核矩陣元（NME）的不確定度仍然是設計和解釋旨在發現無中微子雙β衰變的實驗的關鍵挑戰。來自中山大學的研究團隊發現一類與NME密切相關的可觀測物理量，不同于其他低能核結構中常見的物理量，與高能核碰撞中的強子動量關聯緊密聯系。研究揭示了NME與這些過程中形成的夸克?膠子等離子體特征（例如空間梯度和各向異性）之間的顯著關聯，這些特征可以通過集體流測量而獲得。

在雙中微子雙β衰變研究中，新實驗框架的信噪比相比之前結果提升了70%，并首次將2νββ應用于130Te。在這個框架內，他們確定了核介質中有效軸耦合作為核矩陣函數的可信區間。

4.2 反應堆中微子與振蕩物理

在反應堆中微子研究方面，中國大亞灣合作組基于大亞灣近點探測器收集了4.7×106個反β衰變候選者的完整數據集（圖15），精確測量了反應堆反中微子譜和通量。這些結果豐富了對反應堆能量譜和通量的認識，同時對未來更高精度的測量和模型改進提出了需求。

圖15 反應堆反中微子通量

4.3 新相互作用與超越標準模型物理

中國科學技術大學的研究團隊利用惰性氣體核自旋體系作為磁場量子探測器（圖16），提出并實現了超靈敏極弱磁場探測。針對多種超越標準模型的自旋相互作用開展系統性搜尋實驗，在觀測窗口內將國際上探測界限提升至少17個數量級。

圖16 自旋量子測量傳感器與自旋源

弱相互作用與基本對稱性研究在2025年取得了顯著進展，精密測量和稀有過程搜索為探索超越標準模型的新物理提供了有力的工具。

5

核技術創新與跨領域應用：

科技革命正在重塑核物理

核物理研究經歷了深刻的變革，機器學習、量子計算的應用正在重塑核物理的研究范式，同時技術的創新為核物理研究帶來了前所未有的機遇。中國科研團隊在這一領域展現出強大的創新能力，在多個方向做出了重要貢獻。

5.1 實驗技術與探測器創新

中國團隊在實驗技術方面也做出了重要貢獻。文獻開發并表征了高分辨率、高靈敏度共線共振電離光譜系統（圖17），為核譜學精密測量提供了強大工具。該系統實現了前所未有的精度，為核結構研究展示了新的可能性。

圖17 高分辨率、高靈敏度共線共振電離光譜系統

5.2 核物理與核技術的應用

核裂變能作為核物理與核技術的直接應用，已為社會發展、生產力進步提供了極大的支持。近年來，由中國科學院上海應用物理研究所牽頭建成的2 MW液態燃料釷基熔鹽實驗堆首次實現釷鈾核燃料轉換（圖18），在國際上首次獲取釷入熔鹽堆運行后實驗數據，成為目前全球唯一運行并實現釷燃料入堆的熔鹽堆，初步證明了熔鹽堆核能系統利用釷資源的技術可行性。

圖18 甘肅省民勤縣航拍的2 MW液態燃料釷基熔鹽實驗堆廠房

6

總結與未來展望：

計算革命、多信使天文與新一代實驗裝置引領核物理新時代

展望未來10年，學科發展將圍繞基礎理論深化、實驗技術革新與大科學裝置驅動，呈現以下重要趨勢。

6.1 理論前沿的多維突破

在基礎理論層面，Ab initio計算將實現從輕核到中重核體系的拓展，同時包含奇異結構、連續譜效應的理論框架也逐步完善。

重離子碰撞實驗結合格點QCD計算，有望構建從強子物質到夸克?膠子等離子體的統一相圖，并對臨界終點位置給出更強約束。

6.2 核天體物理的深度融合

核天體物理正從“核數據輸入”向“物理機制共建”轉變。引力波信號、脈沖星等觀測數據，與核結構、核物質狀態方程、中微子等輸入結合，構建起連接微觀與宏觀的完整圖景。

6.3 實驗技術與裝置的跨越發展

實驗技術正經歷智能化、精密化革命。新一代放射性束流裝置如HIAF、FRIB將提供流強更高、種類更全的極端核素，使研究深入核素圖的更偏遠區域。探測器系統向高空間分辨率、高時間精度、高事例率處理能力方向發展，以人工智能算法實現在線事例篩選與重建，極大提升實驗效率。

6.4 中國的獨特機遇

中國核物理正處于從跟跑到并跑甚至領跑的關鍵階段。未來需持續加強原始創新、推動大科學裝置開放共享、深化國際合作，并注重理論與實驗、物理與技術的交叉融合。為理解物質基本結構、宇宙元素起源等重大科學問題作出中國貢獻，并服務于國家能源安全與科技發展戰略。

本文作者：馬余剛、王思敏

作者簡介：馬余剛，復旦大學現代物理研究所，核物理與離子束應用教育部重點實驗室，國家自然科學基金委與復旦大學-上海核物理理論研究中心，華東師范大學物理學院，教授，中國科學院院士，研究方向為原子核物理。

文章來 源 ： 馬余剛, 王思敏. 2025年原子核物理科技熱點回眸[J]. 科技導報, 2026, 44(1): 21?33.

文章轉載自“科技導報”微信公眾號