核物理的最新发展.pdf

核物理的最新發展 譯自 I U P A P 核物理委員會 C 1 2 的 2 0 0 2 年報告 洪正聰（中華技術學院） ，陳冠宇 e - m a i l : c t h u n g p h y s . n t u . e d u . t w g y c h e n g i g a . n e t . t w 核物理的目標，是要了解包括核物質和原子 核在內的強子系統之性質， 及原子核如何從基本組 成物質建構而成。從原子核或核子內夸克、膠子等 基本物質間的交互作用，到由星星、超新星經核融 合形成元素的過程，到初期宇宙中又熱又緻密的核 物質之特性，核物理的研究領域，廣泛的包括了不 同的尺度下的種種現象。 過去幾年來，核子物理的基本命題已經歷一 些演變，目前的研究主題可歸納如下： ? 物質的組成份子是什麼？如何彼此交互作 用？又是如何形成強子及原子核的？ ? 核穩定性的極限為何？ ? 在極大壓力、 溫度下， 物質會產生何種變化？ ? 宇宙的化學成份來源為何？ 在這幾年，我們已獲致一些實驗成果，許多 大且新的設備或已完成或正興建中， 以準備來回答 這些基本問題。其中最有意義的結果及計劃可總結 如下： 核子的電磁結構核子的電磁結構 高度活躍的核物理學界，正利用散佈在世界 各地的設備，進行電子-原子核散射實驗。他們已 經獲得相當多有關核子形狀因子的數據， 這皆歸功 於先進的極化電子技術。其中主要的成就，就是發 展出兼具高強度、高極化（70%）且隨時可用的 高能量電子束。使用極化技術來研究質子、中子形 狀因子的電磁結構的計劃也正在執行中。 這些實驗 皆已達到前所未有的精確度。其中一個顯著的例子 是 美 國 的 TJNAF （ Thomas Jefferson National Accelerator Facility） ，他們同時使用了三條能量為 6 GeV的射束，而獲得相當豐富的數據。 ? 質子的電荷及磁化分佈，一直到最近都 還被假設是互成比例的（Ge/Gm=1） ， 但新的數據顯示這個假設是錯誤的。這 個結果導致要重新檢視掌控質子之夸克 波函數動力學。 ? 奇異夸克-反夸克對在質子內應持續的 產生、湮滅。因此我們預期，奇異夸克 在質子內應有足夠的出現機率，並進而 影響質子的電荷及磁化分佈。但若要把 它們的貢獻，與 u 及 d 夸克產生的優勢 效應分開，就需要使用弱交互作用（Z 交換） ，來探索質子的奇異形狀因子。 HAPPEX 實驗已經顯示，奇異夸克的實 際影響 ， 比大多數模型預測的還小的多。 在 NSAC 最近的長程計劃中，已建議把 827 物理雙月刊（廿四卷六期）2002 年 12 月 TJNAF的 12 GeV 昇級計劃，視為美國科學界的優 先工作。 核的穩定性極限及超重元素的研究核的穩定性極限及超重元素的研究 目前主要問題之一，是極端過量的質子或中 子存在於原子核內時，沿著穩定帶所建立的魔數， 是否仍然扮演重要的角色？ 最近法國的 GANIL（National Heavy Ion Facility）使用 74.5 MeV/A的高強度 58Ni射束撞擊 鎳靶，首度發現雙魔數原子核 48Ni。它是目前唯一 一個有穩定對應鏡核 （此例中為 48Ca） 的雙魔數原 子核。其半衰期下限約為 0.5 秒，產生截面估計為 0.05 pb。 在超重元素研究中，在 GSI 發現的元素 112 已被確認，但元素 114 及 118 的存在仍然存疑。 另外一個重要的實驗結果，證實了核物理學 界 40 幾年來積極搜尋的一種衰變模式的確存在。 在法國的 GANIL 及德國的 GSI 的最近兩個實驗 中，一個跨國物理小組發現，原子核 Iron-45 的基 態會直接放出兩個質子而衰變。GSI 及 GANIL 實 驗結果首次證實，具有過多質子的核，可以從一個 有相當長的半衰期而可直接觀測的基態， 自發地放 出兩個質子而衰變。這將可讓人們研究雙質子射出 的機制，同時也開啟了研究原子核內力的新方法。 稀有同位素射線稀有同位素射線 在目前核物理研究最積極活躍的三個區域： 歐洲、北美及亞洲裏，第一代放射性核射束 （Radioactive Nuclear Beam；RNB）或已運作中或 是正在建造。這些設備正持續產生重要的結果，而 一些企圖心十足的實驗，也計劃在未來幾年內進 行。然而從幾個在世界各地執行的核物理研究計 劃，可清楚的看出，只有靠下一代 RNB 設備，才 能達到最終的科學目標。 德國的 GSI 實驗室已經對科學界提出概念性 的設計報告， 提出一個可以產生高品質之放射性原 子核與反質子次射束的加速器。這個設備產生的射 束能量 ， 比目前 GSI 由質子到鈾的各種離子射束都 高出 15 倍。與現在 GSI的設備比較，主射束強度 將高出 100 倍，而次級放射性射束強度也高出 10,000倍。其研究計劃將集中在遠離穩定帶的核、 緻密強子物質及多體核物理的探討。 極大壓力、溫度下的物質極大壓力、溫度下的物質 夸克膠子離子體是物質的一種狀態，它被預 測存在於宇宙大霹靂後的 10 微秒中。CERN 的七 個將 33 TeV鉛離子撞向重元素靶的實驗，強烈的 暗示了夸克膠子離子體的存在。但是這種新物質態 的 存 在 ， 還 等 著 來 自 Brookhaven 的 RHIC （Relativistic Heavy Ion Collider） 及 CERN 的 LHC 等的新一代實驗結果來確認。RHIC 現在已達到 100GeV 金離子碰撞 100GeV 金離子的滿載能量。 而 第 一 個 實 驗 結 果 也 已 在 Berkeley 舉 行 的 INPC2001 大會上發表。 從 2005 年開始，CERN 的 LHC 的部份實驗 計劃，將投入到以專用 ALICE 偵測器來量測原子 核撞擊的研究上，其能量將比 RHIC高出 30 倍。 核天文物理學核天文物理學 加 拿 大 的SNO （ Sudbury Neutrino Observatory）最近的觀察結果是最精彩的。這個大 部份資金來自核物理學界的實驗室， 使用了相當數 828 物理雙月刊（廿四卷六期）2002 年 12 月 量的重水，來與宇宙射束內的微中子相互作用。實 驗結果解決了 30 多年來太陽理論的謎團：失蹤的 太陽微中子之謎。實驗結果確認太陽模型是正確 的，也給了微中子在往地球的旅程中，會衰變及振 盪的證據。微中子可以從電子微中子轉變成 及 /或 微中子。在荷電流作用e + d p + p + e 中 量 到 電 子 微 中 子 流 量 ， 與 稍 早 由 Super-Kamiokande 在含三種微中子的彈性散射x + e x + e 中得到的流量合起來，證明在太陽 流量中，存有非電子型而活躍的微中子成份。由此 推論出的 8B微中子 ， 與太陽模型的預測極端吻合。 JAERI-KEK 共同計劃共同計劃 日本已經決定興建一座50 GeV及1 MW的多 功能質子設備。包括高強度 射束在內的幾條射 束，將可供粒子及核物理學家使用。這將促使奇異 超 核 的 研 究 進 入 一 新 境 界 。 直 接 射 向 Super-Kamiokande偵測器的高強度微中子射束，可 讓科學家研究微中子振盪的特性。此外中子物理及 核廢料的轉變 （後面會詳述） ，也將是計劃的重點。 核理論核理論 核理論的一個主要發展，是晶格 QCD 在最近 所取得的成果，預計在未來幾年內晶格 QCD 也將 繼續有所進展。夸克與膠子作用量的研究進展，已 使科學家在可計算的晶格距離範圍內，仍可以獲致 連續性理論的推演結果。歐洲及美國的資助機構， 也已同意支援一些運算能力約 10 Teraflops等級的 高速電腦。 （1Tera=1012；FLOPS，floating-point operations per second） 。這些機器允許在僅 3 或 4 個自然輕夸克質量等級下，作一完整的 QCD 模 擬。改良的 chiral extrapolation 與新一代超級電腦 的組合，意味著我們可以期待，在未來幾年內，藉 由晶格 QCD，可得到在自然輕夸克質量範圍內的 強子性質。 美國西雅圖華盛頓大學的 INT、歐洲意大利 特倫多 （Trento） 的 ECT及澳洲阿德雷德 （Adelaide） 的 CSSM，這三個充滿活力的核理論中心，每年都 會舉辦許多研討會，其參與者皆來自世界各地。他 們也有一些專門的計劃，集中於跨學門的領域。未 來這些理論中心將持續蓬勃發展，並促進世界各地 的理論學者之間，及理論學者與他們的實驗同僚間 的交流。 核能研究核能研究 目前佔全球原始能源 7% （佔電力的 17%） 的 核分裂，是少數幾個大規模且無炭的能源之一。其 成本已眾所周知，而且不受石油、瓦斯價格上漲的 影響。在歐洲生產的電力中，它佔了 35%，即無 CO2 能源中的 75%。 核能確實會產生放射性廢料，然而許多國家 已可安全的處理短生命期的廢料。近十年的豐富研 究，使國際專家獲得共識：我們已有安全的廢料處 理所需之“知識及技術”，並可讓大眾接受。長生 命期廢料的最終處置，雖尚未在工業界實現，但是 已在幾個國家示範中。 整體來講，目前只有 4%的燃料耗在核反應 上，這只佔生產濃縮鈾所須之自然鈾的 1%不到。 從反應爐取出的已使用燃料，含有 95%的鈾、1% 的鈽及 4%的分裂產物。那僅佔那僅佔4%的分裂產物才 是廢料，鈾及鈽都可再回收處理以再產生能量。 的分裂產物才 是廢料，鈾及鈽都可再回收處理以再產生能量。以 有效的使用自然資源， 及最佳化廢料處理為雙重目 829 物理雙月刊（廿四卷六期）2002 年 12 月 標，法國等國家已開始從廢料中分離可再生能源的 物質。儲存的回收鈾可供未來的快速滋生反應爐使 用，而回收鈽可作成鈾、鈽混合的 MOX燃料，用 於現今的反應器中。 為了繼續發展核能，必須對反應器所產生的 放射性廢料之長期管理，提供有效且可被接受的解 決方案。方案確實有，且將可逐步實現。鈽的多次 再回收的研究正持續進行中，以期可完全回收鈽， 只留下須進行地質性儲存的分裂產物及微量錒系 元素(actinide)。另外，研究中也包括可把廢料中的 長生命期部份，轉變成僅須數百年到千年隔離儲存 的形式，這也正是現有人造結構體能存留的年限。 核能未來的永續發展，需要新一代的核能產 生系統， 其準備工作涉及反應器及燃料循環在內的 個個層面。第四代國際倡導國 （歐洲、美國、日本、 俄羅斯等）希望能發展出可在 2030 年左右部署、 較簡單、完全不會爐心熔毀、可與最好的石化燃料 工廠競爭、並有較不會引發核武擴散之燃料循環的 新型核反應器。廣泛的評估顯示這些目標是可行 的。 整體來講，藉由使用過之燃料的再處理、將 鈽用於輕水反應器以及新一代核反應器內長生命 期放射性廢料（微量錒系元素）的轉變，可以使長 生命期放射性廢料減少約 100 倍。而留下的殘餘物 質經過數百年後，其放射性就約與原生天然鈾相 當。 在持續建造優勢反應爐，並對目前的反應器 進行除役的同時，創新的核能研究對發展先進的設 計、維護及更新專門技術等方面是極重要的。 核射線的癌症治療核射線的癌症治療 放射治療的目標，是在不傷害周圍健康組織 的前提下，達到最高的腫瘤劑量。與光子及電子相 比，用於放射治療的重粒子，對深處的腫瘤有較精 確的空間劑量分佈，其與距離反比的特性，更可在 位於粒子射程末端的腫瘤內，沉積較高的劑量。 當 CERN 及 GSI 正針對輕離子療法，設計最 合用的醫學同步加速器時， 質子治療所需要的加速 器已經是商業產品了。 利用磁場射束偏折的主動射 束傳送系統和藉加速器達成能量改變的裝置，也於 最近發展完成，並已在瑞士 PSI 的質子射束，及德 國 GSI 的碳射束系統內運轉。 藉 著 使 用PET （ Positron Emission Tomography） ，少量由碳射束產生的可射出正子的 同位素，可用來決定射束在病人體內真正的位置。 這個傳送較精確且控制較準確的新技術， 使醫生能 處理在諸如腦部、