2025年原子核物理科技热点回眸

原文发表于《科技导报》2026 年第1 期 《 2025年原子核物理科技热点回眸 》

2025年，原子核物理研究迎来了跨尺度、多学科融合发展的关键节点。《科技导报》邀请马余刚院士团队撰写文章，回顾了2025年在原子核结构、重离子碰撞、核天体物理、对称性测量等方向上的代表性成果，以及核物理方法学、量子计算、机器学习与跨领域应用；着重介绍了中国团队相关的高水平工作，展望未来10年原子核物理的发展趋势。

进入21世纪后，原子核物理虽已有了长足的发展，但仍面临着挑战，如图1所示，这些问题围绕核物理的根本科学问题与国家战略需求展开。中国在这些领域的参与也正在进入一个新阶段。我们的研究旨在以通俗科学的视角回顾这些研究进展，聚焦最具代表性的2025年成果及其科学意义，力图呈现原子核物理的“现状快照”与“未来走向”。

图1 核科技前沿十问

1

放射性核束物理：

从核力起源到极限核素的奇特结构

2025年，放射性核束物理领域迎来了前所未有的发展机遇，全球多个放射性束流装置，如日本理化研究所RIKEN的放射性同位素束流工厂RIBF、美国密歇根州立大学的稀有同位素束流设施FRIB，其技术取得显著进步。特别地，位于中国惠州的强流重离子加速器装置（HIAF），于今年10月完成束流调试，从滴线核素到超重元素，并揭示核力、壳结构演化以及集体运动模式的丰富物理内涵（图2）。

图2 位于广东惠州的强流重离子加速器装置（HIAF）

1.1 奇特核结构与壳结构演化

过去30年间，在快速扩张的核素图上，弱束缚不稳定核中涌现出许多奇异的结构和动力学现象。这一快速发展领域的研究进展对多个关键交叉学科领域具有深远影响。

在轻核区域，南方科技大学核物理团队与国际合作组在10Be中观测到的近阈偶极共振，为核团簇结构研究提供了新的视角，为10Be中显著的α团簇结构提供了确凿证据（图3）。

图3 10Be基态与低激发态的价核子密度分布

原子核壳层结构与形变现象是核物理的基本概念，其代表着原子核单粒子性与集体性的互相竞争。北京大学、华东师范大学团队与合作者对丰中子银同位素128Ag的谱学研究揭示了银同位素中N = 82闭壳结构。他们首次识别了一个新的长寿命同核异能态，即原子核的“长寿命激发态”，为奇−奇核中的seniority结构提供了一个良好案例。

同时，高精度质量测量也为滴线区的核结构提供了新的见解。在质子滴线附近，中国科学院近代物理研究所通过Bρ定义的等时质量谱技术，首次对质子滴线核22Si进行了质量测量。通过分析相邻sd壳核的质量差异，他们发现22Si表现出与其镜像伙伴22O相似的双满壳特征，但镜像能量差偏离了系统性。

1.2 开放量子体系的奇特衰变

位于滴线附近及外侧的原子核是核物理研究的前沿领域。近年来，在一些极缺中子核素中甚至观测到三质子、四质子乃至五质子协同发射现象。这些奇异衰变模式成为研究不稳定核结构的重要探针，为探索极端条件下的量子系统提供了“理想实验室”。

在滴线区域，质子−中子数量失衡常会引发镜像对称性破缺现象。中国科学院近代物理研究所的研究团队与国际合作者首次发现20Al同位素存在三质子发射现象。该研究对极端开放量子系统的理论描述提出了新的挑战。

在丰中子核区，首次在电子散射实验中产生了丰中子氢同位素6H。复旦大学研究团队与国际团队获得了6H的缺失质量谱。在3H+n+n+n能量阈值之上观察到一个清晰的峰，得到6H基态能量为2.3±0.5(stat)±0.4(syst)MeV，宽度为1.9±1.0(stat)±0.4(syst)MeV（图4）。该工作对多核子相互作用的理解提出了新的挑战，并给出一种利用电子散射实验研究极丰中子轻核的新方法。

图4 6H的基态能量与衰变宽度

1.3 原子核反应

原子核反应是核物理研究的重要手段，也对研究核结构、测试原子核理论具有重要意义。西安交通大学与兰州大学的团队研究了平面波电子和涡旋电子激发巨共振中的角动量转移，建立了一个能够分辨角动量的非弹性电子散射理论。他们发现即使是平面波电子也可以通过选择散射电子的特定角动量态，独立于模型提取更高多极性的跃迁强度（图5），这为核结构研究提供了新的视角。

图5 原子核对平面波与涡旋电子的响应

1.4 激光光谱与核矩测量

在电荷半径测量方面，北京大学研究团队与国际合作者利用欧洲核子中心（CERN）的同位素质量分离器（ISOLDE）使用共线激光光谱，测量了丰中子钪同位素47−49Sc的核电荷半径。成功解释钙同位素半径的理论模型无法解释观测到的钪半径行为（图6）。研究证明这种趋势与seniority模型的预测一致。该实验表明，开发的高分辨率、高灵敏度共线共振电离光谱系统，为精密核谱学测量提供了强大的实验工具。与此同时，基于共振X射线散射的核相位检索光谱方法也为核能级结构研究提供了新的技术途径。

图6 Sc同位素的电荷半径

1.5 核力的Ab initio描述与三体力效应

在核力基本性质研究方面，研究报告了使用手征超子−核子与三体力对轻Λ超核的系统研究，揭示了超核结构与相互作用的细致特征。

北京航空航天大学的研究人员与合作者在Ab initio计算方面也做出了重要贡献。其中，对7Be到12Be的铍同位素进行的系统研究中使用原子核格点有效场理论和N3LO相互作用。通过结合多体密度算符的蒙特卡洛采样算法，能自然地显现显著的双中心团簇结构、单中子晕，以及复杂的类分子结构如π轨道和σ轨道。

类似的格点有效场理论也被南开大学的研究人员与合作者应用到16O到20O氧同位素的电荷和物质半径研究中。另一方面，北京大学研究团队与合作者提出了低能中子−α散射可以作为长程三核子力的灵敏而干净的探针。该工作揭示了手征对称性在少体领域中的预测能力，并为探测和约束三核子力开辟了新的方向。

放射性核束物理在2025年取得了丰硕成果，从超重核的合成到滴线核素的结构研究，从核力的Ab initio描述到新型实验技术的发展，各个方向都有新的突破。

2

重离子碰撞与夸克−胶子等离子体：

从完美流体到量子结构的深入探索

2025年，重离子碰撞物理研究在多个前沿方向取得了突破性进展。从夸克−胶子等离子体（QGP）集体行为的精确表征到喷注与介质相互作用的微观机制，从重味夸克探针到量子色动力学（QCD）相结构的临界点搜索，研究深度和广度均显著拓展。中国科研团队在理论模拟、实验分析和新观测量的提出等方面做出了突出贡献。

2.1 集体流与流体动力学行为

集体流是重离子碰撞中产生的集体运动模式。近期复旦大学团队研究了横动量和粒子多重数之间涨落的关系，特别关注它们对提取QCD声速的影响。这个框架为在不同尺度的碰撞系统中探测热化和提取热力学性质提供了一个稳健的诊断工具。

2.2 喷注淬火与部分子能量损失

喷注物理也在2025年取得了重要进展。山东大学与华中师范大学团队研究了重味喷注在真空和QGP中喷注子结构上的质量效应（图7）。由于能量−能量关联（EEC）在不同尺度上对喷注物理的强敏感性，因此是研究喷注子结构的极好观测量。喷注EEC的这些特性可以用来探测不同尺度的喷注−介质相互作用物理，该性质有望不久能得到实验验证。

图7 pp碰撞中不同喷注的能量关联

在喷注−强子关联方面，华中师范大学研究团队提出使用喷注−强子关联的快度不对称性作为双喷注中扩散尾迹的稳健且无背景的信号（图8）。这种不对称性出现是因为一个喷注的扩散尾迹相对于另一个喷注移动到了有限的快度。未来这种快度不对称性的测量可为喷注诱导的扩散尾迹和QGP的性质提供更精确的物理依据。

图8 喷注−强子关联的快度不对称性作为双喷注中扩散尾迹的稳健且无背景的信号

2.3 重味夸克

山东大学团队研究了使用极化轻子束的准单举深度非弹性散射中的Λ产生，发现自旋传递被靶碎裂显著抑制。自旋传递以及其他自旋效应为产生的强子的起源提供了灵敏的探针。

2.4 初始状态与QCD物理

在原子核的初态研究方面，来自国内多家单位的研究团队以质子−原子核碰撞中的直接光子产生为例，首次澄清了在物理可观测量层面上色玻璃凝聚（CGC）和高扭（HT）之间的关系。这样的统一图景为从稀薄到稠密区域映射核介质中部分子密度的相图铺平了道路。

2.5 热QCD物质与状态方程

在QCD相结构方面，复旦大学与大连理工大学团队研究了QCD相变对夸克自旋涨落和关联的影响。他们提出了夸克−反夸克关联，这与矢量介子自旋排列和
关联相关，并且可以作为QCD相图中临界终点（CEP）的新探针（图9）。研究揭示了在手征相变的CEP附近出现峰值结构，这可能作为CEP的实验特征，并解释了最近实验中在低碰撞能量下观察到的ϕ介子排列的非单调行为。

图9 QCD相变对夸克自旋涨落和关联的影响

2.6 自旋极化与手征效应

在自旋极化研究方面，复旦大学团队提出一种通过重离子碰撞测量超氚核（
）与Λ超子自旋极化来间接获取质子自旋极化的新方法。该方法利用形成时保留核子与Λ自旋信息的特性（图10）。模拟验证该关系在宽能区下可靠，为研究轻夸克自旋动力学、强子自旋输运及质子自旋结构提供了实验可行的新途径。

图10 重离子碰撞中质子自旋极化示意

2.7 跨能量尺度原子核结构交叉研究

在跨能量尺度原子核结构交叉研究方面，复旦大学团队与国际合作者也取得了重要进展，相对论重离子对撞机−大型超导螺线管实验装置（RHIC−STAR）国际合作组在高能重离子碰撞实验成像研究高阶形变首次显著地观测到铀−238原子核基态“梨形”结构。

重离子碰撞物理在2025年取得了多角度且深入的进展。从集体流到喷注淬火，从重味探针到QCD相结构，都呈现出蓬勃发展的态势。

3

核天体物理：

从核结构到宇宙极端物质的桥梁

从恒星核合成过程的理解到中子星内部结构的探测，从核反应率的精确测量到多信使天文学的融合，核天体物理正在经历一个前所未有的发展时期。中国科研团队在核天体物理过程模拟、核反应测量和理论模型构建等方面做出了重要贡献。

3.1 恒星核合成与核反应率

2025年，北京航空航天大学研究团队与国际合作组在核天体物理反应率研究方面取得了重要进展。研究通过木马（Trojan horse）方法间接测量了覆盖天体物理能量的19F(p,αγ)16O截面（图11）。分析表明，该测量对关于氟和较重元素丰度的现有预测提出了挑战。

图11 19F(p,αγ)16O截面

3.2 高精度核天体反应数据

光中子反应截面是核物理、核天体物理及核技术应用中的关键参数。中国科学院上海高等研究院、上海应用物理研究所与复旦大学团队依托上海激光电子伽马源（SLEGS）实验平台（图12），对金−197和铽−159的光中子反应截面进行了首次系统测量。这一工作为解决该领域自20世纪60年代以来长期存在的数据系统性差异问题，提供了高精度的新实验基准，为精确理解恒星内部的核合成过程奠定了更可靠的数据基础。

图12 SLEGS线站布局示意

3.3 致密天体与状态方程

国内团队在致密天体方面也有多项重要进展。上海交通大学研究团队通过对有限温度下夸克星发生并合时抛射出的非平衡状态方程的首次计算，确定了二元夸克星或夸克星−黑洞合并的喷射物性质。该研究提出未来对二元合并和千新星的观察可以对夸克物质的结合能和夸克星的存在施加严格约束。

兰州大学研究团队研究了从GW170817推断的潮汐极化率Λ1.4和由PREX−2测量的208Pb中子皮厚度的多极相关性（图13）。此外，从这些数据集对

K

图13 潮汐极化率与208Pb中子皮厚度的相关性

3.4 核天体物理中的弱相互作用

在弱相互作用过程研究方面，西南大学与上海交通大学团队研究了强磁场对rp过程（快质子俘获过程）等待点有效恒星β+和电子俘获率以及相应中微子能量损失率的影响。增强的弱衰变率可能显著改变等待点原子核的寿命，从而可能修改当前对rp过程的理解。

核天体物理在2025年取得了新的进展。从恒星核合成过程的理解到中子星内部结构的探测，从核反应率的精确测量到多信使天文学的融合。

4

弱相互作用与基本对称性：

精密核过程的新物理窗口

从中微子质量测量到基本对称性检验，从稀有过程搜索到新相互作用探测，核物理的研究方法为探索超越标准模型的新物理提供了独特而灵敏的探针。

4.1 无中微子双β衰变搜索

在无中微子双β衰变（0νββ）搜索方面，复旦大学等参与的CUORE合作组开发的工具和技术以及近1000个探测器5年的稳定运行体现了可作为未来实验的关键基础设施，并能够在多个同位素中搜索0νββ（图14）。

图14 CUORE实验对中微子质量次序的约束

理论方面，降低核矩阵元（NME）的不确定度仍然是设计和解释旨在发现无中微子双β衰变的实验的关键挑战。来自中山大学的研究团队发现一类与NME密切相关的可观测物理量，不同于其他低能核结构中常见的物理量，与高能核碰撞中的强子动量关联紧密联系。研究揭示了NME与这些过程中形成的夸克−胶子等离子体特征（例如空间梯度和各向异性）之间的显著关联，这些特征可以通过集体流测量而获得。

在双中微子双β衰变研究中，新实验框架的信噪比相比之前结果提升了70%，并首次将2νββ应用于130Te。在这个框架内，他们确定了核介质中有效轴耦合作为核矩阵函数的可信区间。

4.2 反应堆中微子与振荡物理

在反应堆中微子研究方面，中国大亚湾合作组基于大亚湾近点探测器收集了4.7×106个反β衰变候选者的完整数据集（图15），精确测量了反应堆反中微子谱和通量。这些结果丰富了对反应堆能量谱和通量的认识，同时对未来更高精度的测量和模型改进提出了需求。

图15 反应堆反中微子通量

4.3 新相互作用与超越标准模型物理

中国科学技术大学的研究团队利用惰性气体核自旋体系作为磁场量子探测器（图16），提出并实现了超灵敏极弱磁场探测。针对多种超越标准模型的自旋相互作用开展系统性搜寻实验，在观测窗口内将国际上探测界限提升至少17个数量级。

图16 自旋量子测量传感器与自旋源

弱相互作用与基本对称性研究在2025年取得了显著进展，精密测量和稀有过程搜索为探索超越标准模型的新物理提供了有力的工具。

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核技术创新与跨领域应用：

科技革命正在重塑核物理

核物理研究经历了深刻的变革，机器学习、量子计算的应用正在重塑核物理的研究范式，同时技术的创新为核物理研究带来了前所未有的机遇。中国科研团队在这一领域展现出强大的创新能力，在多个方向做出了重要贡献。

5.1 实验技术与探测器创新

中国团队在实验技术方面也做出了重要贡献。文献开发并表征了高分辨率、高灵敏度共线共振电离光谱系统（图17），为核谱学精密测量提供了强大工具。该系统实现了前所未有的精度，为核结构研究展示了新的可能性。

图17 高分辨率、高灵敏度共线共振电离光谱系统

5.2 核物理与核技术的应用

核裂变能作为核物理与核技术的直接应用，已为社会发展、生产力进步提供了极大的支持。近年来，由中国科学院上海应用物理研究所牵头建成的2 MW液态燃料钍基熔盐实验堆首次实现钍铀核燃料转换（图18），在国际上首次获取钍入熔盐堆运行后实验数据，成为目前全球唯一运行并实现钍燃料入堆的熔盐堆，初步证明了熔盐堆核能系统利用钍资源的技术可行性。

图18 甘肃省民勤县航拍的2 MW液态燃料钍基熔盐实验堆厂房

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总结与未来展望：

计算革命、多信使天文与新一代实验装置引领核物理新时代

展望未来10年，学科发展将围绕基础理论深化、实验技术革新与大科学装置驱动，呈现以下重要趋势。

6.1 理论前沿的多维突破

在基础理论层面，Ab initio计算将实现从轻核到中重核体系的拓展，同时包含奇异结构、连续谱效应的理论框架也逐步完善。

重离子碰撞实验结合格点QCD计算，有望构建从强子物质到夸克−胶子等离子体的统一相图，并对临界终点位置给出更强约束。

6.2 核天体物理的深度融合

核天体物理正从“核数据输入”向“物理机制共建”转变。引力波信号、脉冲星等观测数据，与核结构、核物质状态方程、中微子等输入结合，构建起连接微观与宏观的完整图景。

6.3 实验技术与装置的跨越发展

实验技术正经历智能化、精密化革命。新一代放射性束流装置如HIAF、FRIB将提供流强更高、种类更全的极端核素，使研究深入核素图的更偏远区域。探测器系统向高空间分辨率、高时间精度、高事例率处理能力方向发展，以人工智能算法实现在线事例筛选与重建，极大提升实验效率。

6.4 中国的独特机遇

中国核物理正处于从跟跑到并跑甚至领跑的关键阶段。未来需持续加强原始创新、推动大科学装置开放共享、深化国际合作，并注重理论与实验、物理与技术的交叉融合。为理解物质基本结构、宇宙元素起源等重大科学问题作出中国贡献，并服务于国家能源安全与科技发展战略。

本文作者：马余刚、王思敏

作者简介：马余刚，复旦大学现代物理研究所，核物理与离子束应用教育部重点实验室，国家自然科学基金委与复旦大学-上海核物理理论研究中心，华东师范大学物理学院，教授，中国科学院院士，研究方向为原子核物理。

文章来 源 ： 马余刚, 王思敏. 2025年原子核物理科技热点回眸[J]. 科技导报, 2026, 44(1): 21−33.

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