核物理与强子物理科学前沿——极端条件下的强相互作用物质 | 2025科学发展报告

马余刚 1,2　邹冰松3 赵政国4

（1. 华东师范大学；2. 复旦大学；3. 清华大学；4. 中国科学技术大学）

近年来，核物理与强子物理在理论和实验的协同推动下进入快速发展阶段，研究逐步覆盖从微观夸克与胶子到宏观核天体等一系列强相互作用体系，呈现跨尺度深度融合的趋势。本文围绕极端条件下强相互作用物质展开综述。在中低能核物理方面，重点介绍了滴线附近奇异核的探索、开放量子体系的理论与实验进展、高精度核质量测量及其在核天体物理中的应用；在高能核物理方面，系统阐述了量子色动力学相图与临界点的实验寻找、夸克- 胶子等离子体性质的精密探测、喷注能量损失与介质响应，以及重离子碰撞对核结构的成像等前沿方向；在强子物理方面，总结了包括四夸克态在内的奇特强子谱学研究、核子内部结构的层析与引力形状因子计算、非微扰量子色动力学精确计算对标准模型的检验，以及人工智能等新兴技术在强子物理中的应用。随着我国强流重离子加速器装置的建成，以及提议中的超级陶粲装置与中国极化电子- 离子对撞机等大科学设施计划，中国有望在强相互作用物质的多维度探索、量子色动力学相图构建、奇特强子系统研究及高精度理论检验等方面发挥引领作用，推动该领域向更深层次发展。

摘要

近年来，原子核与强子物理的发展呈现出前所未有的整体化趋势：从微观层面的夸克与胶子，到核子、原子核，再到高温高密强子物质与天体环境，研究正朝着跨尺度的综合描述迅速发展。尽管不同极端条件下系统表现出截然不同的形态，但强相互作用的本质决定了其内在的关联，构成了当代原子核与强子物理的核心挑战。

中国在该领域的发展也进入了新阶段。2020—2024 年，中国团队多项成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）（图1）、《自然》（Nature）等国际一流期刊，且发文量占比保持快速增长趋势，为全球核物理版图中的“中国力量”增添了亮点。

图1　原子核物理与粒子物理领域中国学者在《物理评论快报》上的发文（包括中国主导与国际合作）数量统计（a），以及发文数量占该领域全球总发文量的比例（b）。数据源于对《物理评论快报》期刊发文数量的统计。

当前，原子核与强子物理正处在基础研究与大科学装置共同驱动的关键节点，其发展不仅会推动人类对自然界最深层结构的认知，也将深刻影响天体物理、粒子物理等多个领域。以下将从核物理到强子物理分别介绍其科学前沿与发展方向。

一、中低能核物理：从封闭到开放量子体系，原子核与核天体的跨尺度统一

中低能核物理关注的原子核，是强相互作用物质经过色禁闭形成的自束缚体系，也是连接微观强相互作用与宏观核天体的关键环节。美国核科学咨询委员会和欧洲核物理合作委员会在各自最新的长期规划中，均将“理解核结构与反应，并将其与核天体、基本对称性和应用联系起来”，列为未来10 年的核心科学目标，同时强调了核关联、开放量子系统等方向的重要性。相关国际期刊发文也包含了相关的前沿方向（图2）。总体来看，核物理已从传统“稳定核+ 壳模型”的格局，走向“极端同位素+ 多体关联+ 连续谱耦合”的综合研究阶段。

图2 2022—2024 年在《物理评论快报》上发表的原子核物理论文课题统计。本图根据《物理评论快报》期刊内容整理，HIAF 即强流重离子加速器装置（High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility）。

1.大型核科学装置与核素图拓展

全球以美国稀有同位素束流装置（Facility for Rare Isotope Beams，FRIB）、日本理化研究所（Institute of Physical and Chemical Research，RIKEN）等为代表的放射性离子束（radioactive ion beam，RIB）设施集群，在流强和能区覆盖上各具特色，为系统研究核结构、核反应提供了多层次的平台（图3）。我国分别在惠州、上海等地建成了新一代HIAF与上海同步辐射光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF） 的国内首条伽马光束线—— 上海激光电子伽马源（Shanghai Laser Electron Gamma Source，SLEGS）。上述装备的建设也将使我国逐步在低能核物理研究版图中占据重要位置。

图3　全球主要放射性核束装置典型束流能区示意图（a），以及新一代放射性核束装置预期的探测核素区域（b）

近5 年间，全球RIB 装置在滴线附近相继发现了一系列新同位素，揭示了壳层弱化、形状共存等新现象。我国依托兰州 HIRFL-CSR 储存环和飞行时间质谱仪等装置，在新核素发现、核质量测量方面持续取得进展，并有望在新元素的发现上实现我国“从0 到1”的突破。

2.高精度质量测量与核天体物理

短寿命核素的质量是理解快中子俘获过程（r 过程）、快质子俘获过程（rp过程）路径的基础。近年来，多次反射飞行时间质谱仪（multi-reflection time-offlight mass spectrometer，MR-TOF）、储存环质谱和激光光谱学等技术迅速发展，质量测量精度大幅提升，在滴线附近提供了重要的实验锚点，为改进全球质量模型和核天体物理过程提供了关键输入。我国在中国锦屏地下实验室对碳氮氧循环（CNO cycle）中的19F(p, γ)20Ne 等关键天体反应进行了测量。同时，中国研究人员参与的地下低温稀有事件观察站（Cryogenic Underground Observatory for Rare Events，CUORE）实验将无中微子双β 衰变的半衰期下限推至T1/2 > 3.5×1025 年，为回答中微子是否为马约拉纳粒子这个基本问题跨出了新的一步。

3.开放量子系统的奇异结构与衰变

实验上，研究人员通过γ 射线谱学、库仑激发和转移反应等手段，在核素图中子数N ≈ 60 、90 等区域观测到了核形变的急剧变化及形变共存现象；在轻核区的研究中，中国研究人员分别与法国克莱蒙费朗微粒子物理实验室（Laboratoire de Physique Corpusculaire，LPC）、德国亥姆霍兹重离子研究中心（Helmholtz Centre for Heavy Ion Research，GSI）、美国华盛顿大学等研究组合作，在16Be、20Al、18Mg 等多核子发射核的发现方面取得了进展，揭示了核内部结构与核子关联的复杂性。

理论方面，从核子相互作用出发的微观多体方法取得了长足进展。基于手征有效场论，结合多体微扰理论、无芯壳模型和耦合簇方法，实现了对中等质量核包括连续谱效应的统一描述。同时，能量密度泛函计算系统刻画了核质量、形变等性质。针对弱束缚核这一开放量子体系，以Gamow 壳模型和Gamow 耦合道为代表的核理论框架，实现了对共振态结构与连续谱效应的统一描述，为理解滴线附近的奇特现象提供了理论基础。

4.创新性技术的发展与应用

在能源领域，我国第四代核能技术取得重要突破，中国科学院上海应用物理研究所已建成全球唯一的钍基熔盐堆。我国受控核聚变研究也取得里程碑进展，“核聚变—核天体物理—低能核结构”形成良性互动，相关研究正成为重要增长点。医学上，正电子发射断层成像（positron emission tomography，PET）等成像技术，以及质子、重离子等先进放射治疗技术，都需要核数据作为精确治疗的基础。核钟的研究也获得了快速进展，其准确度与稳定性有望超越原子钟。此外，核科学在环境监测与公共安全中的重要性也日益凸显，成为切实影响日常生活的重要技术。

5.我国该领域未来发展趋势与挑战

随着HIAF 等装置投入运行，我国将在滴线核素测量、关键天体反应率直接测量等方面取得系统性进展。理论方面，开放量子体系的多体描述、连续谱效应与动力学过程的自洽模拟仍是当前面临的挑战。国际合作需进一步深化，尤其在放射性束流实验、核天体反应网络构建、核衰变的稀有过程等方面，需进一步加强数据共享与模型的交叉检验。

二、高能核物理：从整体到微观，相图探索与夸克-胶子等离子体结构的精准刻画

高能核物理重点研究强相互作用物质在高温高密等极端条件下的表现。有关其新形态——夸克- 胶子等离子体（quark-gluon plasma，QGP）的理论和实验研究是近几十年来高能核物理学科最重要的前沿课题，被美国物理学家列为21 世纪物理学十一大未解之谜之一。2025 年，高能核物理研究在量子色动力学（quantum chromodynamics，QCD）相图探索、QGP 性质的精密测量、核结构与初始状态成像、核物质与多学科交叉等前沿方向取得了一系列突破性进展，极大地深化了我们对物质深层结构和宇宙早期状态的理解。

1.QCD相图探索

确定连接QGP 与强子气体的相变临界终点（critical endpoint，CEP）［图（4a）］，是绘制QCD 物质相图的核心目标。2025 年，RHIC-STAR（RHIC，Relativistic Heavy Ion Collider，相对论性重离子对撞机；STAR，Solenoidal Tracker at RHIC，RHIC 上的螺旋径迹探测器。)通过束流能量扫描，对净质子数涨落进行精密测量，结果显示在能量 = 19.6 GeV 附近，四阶累积量比值（C4/C2）出现显著的非单调下降并达到最小值［图4（b）］。这被认为可能是CEP 存在的关键信号。同时，理论预言，夸克- 反夸克自旋关联在CEP 附近会出现峰值，可作为寻找 CEP 的新探针。相关研究还提出了由临界涨落主导的新型阻尼模式，为识别CEP 提供了新的可观测量。

图4 QCD 相图（a）和RHIC-STAR 实验对四阶累积量比值的测量结果（b）LHC： 大型强子对撞机（Large Hadron Collider）；SPS： 超级质子同步加速器（Super Proton Synchrotron）；AGS：交变梯度同步加速器（Alternating Gradient Synchrotron）；SIS：重离子同步加速器（Heavy Ion Synchrotron）；CSR：冷却储存环（Cooler Storage Ring）；RHIC FXT：相对论性重离子对撞机（Relativistic Heavy Ion Collider）的固定靶模式；FAIR：反质子与离子研究装置（Facility for Antiproton and Ion Research）；NICA：基于Nuclotron 的离子对撞机设施（Nuclotron-based Ion Collider fAcility）。

2.QGP性质的精密研究

为理解QGP 强耦合流体的微观性质，需发展高精度、高分辨率的新探针，以探索其内部不同时空尺度的物理过程。其中，相对论重离子碰撞产生的高能喷注穿过QGP 并与之发生作用，是研究QGP 内部性质的“黄金探针”。2025 年，利用喷注能量－能量关联子（energy-energy correlator，EEC）对喷注子结构进行的“尺度分析”，反映了质量效应、能量损失与介质响应的复杂耦合。针对喷注能量损失的问题，理论提出用双喷注的快度不对称性作为QGP 中“扩散尾流”的干净信号。此外，适用于多喷注过程的qT 切片方案为实现更高精度计算提供了可行路径，有望提升从喷注中提取QGP 性质的可靠性。同时，理论家还提出了利用量子涨落提取QGP 中声速的新方法。

3.核结构与初始状态成像

原子核的内部精细结构是决定重离子碰撞初始条件的关键，直接影响QGP 的形成与演化。2025 年，通过重离子碰撞对原子核“拍快照”的技术进一步成熟（图5）。STAR 国际合作组通过测量形变核与球形核的流涨落，首次从高能碰撞中定量提取出铀核的四极及三轴形变参数，结果与低能核物理预期一致。同时，LHC-CMS（CMS，Compact Muon Solenoid，紧凑缪子线圈实验。）首次测量了超周边Pb-Pb 碰撞中非相干J /ψ 光生截面随能量的演化，揭示了核内胶子空间涨落的Bjorken x 参量依赖性演化。MAMI 实验利用电子散射研究原子核结构，证实6H 基态能量较低，验证了通过电子散射产生丰中子核的可能性。理论研究提出，通过超中心碰撞的各向异性流可探测初态两体关联的结构信息。未来，电子－离子对撞机（Electron-Ion Collider，EIC）将是实现核子与原子核三维层析的关键实验装置。

图5　相对论重离子碰撞快成像“梨形”原子核

4.高能核物理与多学科交叉前沿

高能核物理所研究的含奇异夸克的超核及其极化现象，是连接核物理与天体物理的关键桥梁，对理解中子星内部结构、超子－核子相互作用有根本意义。

2025 年，LHC-ALICE（ALICE，A Large Ion Collider Experiment，即大型离子对撞机实验）国际合作组首次在LHC 上观测到质量数A=4 的反超氦核等最重反超核存在的证据。LHC-CMS 实验在p-Pb 碰撞中观测到Λ 超子的局部极化，提示小系统中可能存在新的极化机制。理论方面，研究提出利用重离子碰撞中的（反）超氚核的整体极化效应提取其内部自旋结构的新方法，开启了研究极化效应的新方向。

5.国际合作与展望

中国团队在STAR、ALICE、CMS 等国际合作组中发挥着越来越重要的作用，尤其是在喷注物理、临界点寻找、超核探测等研究方向上的贡献十分突出。未来，美国布鲁克海文国家实验室的EIC 将成为研究核子与原子核三维结构的主力装置。同时，中国正在积极推进中国极化电子- 离子对撞机（Electron-Ion Collider in China，EicC）的概念设计和物理规划。

三、强子物理：从奇特强子发现到结构系统化，核子层析与非微扰QCD精密计算

强子物理是粒子物理与核物理交叉的一个重要领域，旨在解决非微扰强相互作用的基本问题：夸克禁闭的起源、强子质量的来源、质子自旋的构成等。这些研究对理解物质本质和检验标准模型至关重要。图6 展示了根据INSPIRE 数据库统计的2024—2025 年各重要子领域的论文发表分布及中国、欧洲、美国、日本等国家/ 地区的贡献情况。下面将从各个方面总结强子物理的进展。

图6 2024—2025 年强子物理各子领域发表论文占比及各主要国家/ 地区的贡献（合作项目重复统计）

1.强子谱学

强子谱学是探索强子内部结构和QCD 非微扰动力学的直接窗口，持续保持高度活跃。实验方面，大型强子对撞机底夸克实验（Large Hadron Collider beauty，LHCb）和北京谱仪Ⅲ（Beijing Spectrometer Ⅲ，BES Ⅲ）合作组引领奇特强子态候选粒子的发现。LHCb 报告了B 介子衰变中开粲四夸克态候选者 的观测结果，并在Dsπ 末态中观测到了共振结构，为理解含粲、奇夸克的多夸克系统提供了关键信息。此外，LHCb 还在质子－质子碰撞的衍射过程中观测到了数个J /ψφ 共振结构，可能与隐粲四夸克态关联，揭示其新的产生机制。BES Ⅲ合作组首次观测到了衰变过程，并发现了奇特重子Σ (1380)+ 存在的证据。

理论方面，致力于将有效场论、唯象模型与格点QCD 相结合来解释实验发现。基于玻恩- 奥本海默近似理论和格点QCD 计算，可以得到含有正反粲夸克的X (3872) 和双粲奇特介子Tcc (3875)。为解决格点计算中的长程力问题，相关研究发展了新的有效力程展开框架及有限体积方法。同时，格点计算进入三体系统研究阶段，首次计算出衰变到3个π介子的ω介子。量子少体理论和格点计算研究将是未来几年的重点方向。

随着实验的推进，有望对色禁闭机制有更深入的理解。如图6 所示，凭借BESⅢ实验和理论团队的贡献，中国在强子谱学领域已稳居世界领先地位。在陶-粲物理领域，BES Ⅲ贡献了全球61% 的论文产出。

2.核子结构

核子作为可见物质的基本单元，其内部结构是强子物理研究的核心目标。引力形状因子（gravitational form factors，GFFs）编码了核子内部的能量、动量和压力分布，可为了解核子结构和色禁闭机制提供关键信息。2025 年，我国学者基于色散关系精确计算了核子的引力形状因子，发现核子内部胶子分布比夸克更为延展，揭示了核子质量与结构的新图像。核子的三维结构由广义部分子分布（generalized parton distributions，GPDs）和横动量依赖（transverse momentum dependent，TMD）分布来描述，文献[50] 发表了首个横动量依赖的螺旋度分布的提取结果。中国在该领域正快速迈入国际前沿。这些工作为未来在EIC 和EicC 上开展相关实验奠定了基础。

3.强子－核物理交叉

强子- 核物理交叉领域涵盖超核、强子产生及核物质状态方程等前沿课题。费米镜技术被用于测量高能碰撞中强子的散射参数，但其系统误差的控制仍需理论方法的进一步发展。重离子碰撞已成为研究奇特强子态的实验平台，通过分析碰撞产额和集体流可探究其内部结构。同时，强子与核天体物理在核物质状态方程研究上高度交叉，是理解中子星物质状态方程的关键。

4.标准模型检验相关的强子物理精确计算

强子物理因直接连接实验与QCD 非微扰能区，成为检验标准模型、寻找新物理的关键环节。缪子反常磁矩是其核心议题，实验与理论间的长期偏差备受关注。2025 年，美国费米实验室Muon g-2 合作组公布了精度比之前结果提高4 倍的最新结果。该结果虽与部分理论预测在误差范围内相符，但与基于色散关系的理论值之间仍存在差异。要解决这一分歧，需要更高精度的实验数据进行进一步检验。此外，在电偶极矩、无中微子双β 衰变、CKM 矩阵等重要研究方向中，对非微扰QCD 的精确计算均不可或缺。强子物理正逼近标准模型的极限，其不仅是检验理论的必要环节，更是揭示新物理迹象的关键途径。

5.强子物理与新兴技术交叉

人工智能正融入强子物理研究：生成式模型被用于加速计算；神经网络方法优化了部分子分布函数的全局拟合。在BES Ⅲ和LHCb 等实验中，图神经网络与深度学习有效提升了粒子鉴别、径迹重建和信号提取的精度。同时，纠缠熵等概念的引入有望为理解QCD 的非微扰性质提供新视角。这些交叉技术正推动强子物理向更深层次发展。

6.国际合作与展望

在强子物理领域，国际合作紧密而活跃。图7 数据显示，中国－欧洲合作与美国－欧洲合作是当前最活跃的两条国际合作轴线，反映了中国学者与欧洲同行保持着密切的学术联系。相比之下，当前中美之间的理论合作规模相对较小。

图7 2024—2025 年强子物理理论国际合作情况。图中不含实验合作组数据。

四、结语

核物理与强子物理正处在理论与实验协同驱动的关键发展阶段。理论方面，格点QCD、手征有效场论、开放量子体系理论等前沿方法不断精进，并与人工智能等新兴技术深度融合，显著提升了对强相互作用非微扰性质的解析能力。这些进展共同推动着对核物质状态方程、QCD 相图结构、强子内部夸克胶子分布等核心问题的理解持续深化。

放射性核束装置、重离子对撞机等大科学装置的持续运行与升级，为探索从滴线核到QGP 的极端物质形态提供了前所未有的实验条件。国内大科学装置［如HIAF、北京正负电子对撞机二期（Beijing Electron Positron Collider Ⅱ，BEPC Ⅱ）等］陆续取得里程碑成果。未来，随着超级陶- 粲装置、EicC 等下一代设施的规划建设，我国有望在强相互作用物质的多维成像、奇特强子谱系的系统构建，以及高精度检验标准模型等方面发挥更加重要的作用，为解决物质结构的基本问题作出实质性贡献。

致谢：感谢王思敏、郭奉坤、马国亮等研究员整理相关材料。本文得到国家自然科学基金项目（12547102、11925502、11935001、11961141003、11890714）资助。

参考文献（略）

本文摘编自《2025科学发展报告》一书。

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中国科学院 编

北京 : 科学出版社, 2026. 6.

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ISBN 978-7-03-086234-1

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（本文编辑：刘四旦）

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