（二）核内非核子自由度的研究

π介子自由度

在建立互作用玻色子模型的同时，核结构理论又从核内非核子自由度的研究中得到了新的进展。以核集体模型为代表的广义核壳层模型尽管取得了一定的成功，但毕竟还有一定的局限性。首先，这些模型都只是从部分实验事实或观测现象出发，从某个侧面用类比方法反映核子系统的机制。此外，在核反应理论中，所引入的可调参数又太多。可调参数越多，说明这个理论离成熟性与完整性越远。再加上现有的各种核模型间缺乏统一的内在联系，它们不是一个包容另一个，而是彼此独立，相互间关联甚少。追究起来，存在这些问题的原因是对核多体系统的认识有关。按传统认识，核内的核子只是一个无结构的点，核仅由这些被当作为点的核子组成，即原子核只存在有核子自由度，核子之间的作用单纯为两点间的作用。事实上，早在 30 年代，有人就预言了核内存在有非核子的自由度。

1932 年，查德威克发现了原子核内除了质子外，还有中子以后，很快地，海森伯就提出原子核是由质子和中子组成的。然而是什么力把它们紧紧地约束在核中呢？1935 年，汤川秀树发表了核力的介子场理论，他认为π介子是核力的媒介，并参与β衰变，同时提出了核力场方程及核力的势。根据这一理论，质子和中子通过交换π介子互相转化。1947 年，π介子在宇宙射线中被发现。由于在核力理论中预言π介子的存在，汤川秀树获得了 1949 年诺贝尔物理学奖。

随着粒子物理学的发展，人们逐渐发现，在原子核内，除了传统的质子、中子自由度以外，还有更多的自由度，它们包括：π介子自由度、ρ 介子自由度以及各种核子的共振态△、σ粒子自由度、核内夸克自由度和核内色激发自由度等，情况远比人们对核的传统认识复杂。对这些自由度的研究极大地丰富了原子核物理学的基本内容。

多年来，人们一直在寻求着核内存在π介子的直接或间接的实验证明。一个主要的困难是得知核内存在π介子，需要波长极短的入射粒子束。为避免强相互作用带来更多的不确定性，人们选用了入射光子的方法。近年来，有两个有名的实验给出了核内存在π介子自由度的证明。其一是氘核的光分裂实验，人们用两种方法计算了氘核光分裂γ+D→n+p 过程的反应截面。结果发现，在入射光子能量 Er≤50MeV 情况下，认为核只具有纯核子自由度的计算结果与实验符合，偏差只有 10%左右；然而当 Er＞50MeV 时，纯核子自由度的计算与实验结果的偏离明显地加大，只有考虑了π介子自由度以后，才与实验结果一致。这一实验不仅证明了核内π介子的存在，而且还说明了在通常的低能核物理中，分子的自由度不能表现出来。另一个证明π介子自由度的是利用电子散射对 ³He 形状因子的研究实验。实验结果表明，在电子与核的动量转移过程中，越接近核中心区域，动量交换值越大，核中心区域是高动量转移区，核的边缘为低动量转移区，而只有在低动量转移区，纯核子自由度理论才与实验结果符合，在高动量转移的中心区，必须计入π介子及△自由度的影响，才能与实验符合。这个实验不仅证明了核内π介子自由度的存在，而且进一步指出，在原子核的中心区域，非核子自由度问题的重要性更为突出。

夸克自由度

从 40 年代末到 50 年代初，随着世界上各大型加速器的投入运行，粒

子物理逐渐从核物理中分化了出来。本世纪 60 年代以后，粒子物理取得了

一系列令人瞩目的进展。例如，在 70 年代初，格拉肖、萨拉姆和温伯格将弱、电相互作用统一在 SU（2）×U（1）对称群的规范理论之中，并从多方面得到了实验上的直接和间接的证实。粒子物理的另一个著名成就是夸克模型和量子色动力学的建立。根据微观世界中的对称性，不仅可以对强子进行分类，而且还对强子内部结构的认识提供了有效的途径。低能强子按 SU（3）对称群分类，这些强子的基本构件，也是 SU（3）对称群的基础就是夸克，包括 u 夸克、d 夸克和 s 夸克。为使强子满足自然界普遍遵守的自旋与统计性关系，每种夸克还有 3 种不同的色，色相互作用是强相互

作用的起源，而传递色相互作用的 8 个媒介子就称为胶子。实质上，强相互作用理论即为 SU（3）色对称群的规范理论，称为量子色动力学（QCD）。根据夸克模型，原子核的核子应由 3 个价夸克以及称为海夸克的虚夸克- 反夸克对胶子组成，而传递核子相互作用的介子应由价夸克、价反夸克和海夸克、胶子组成。这种物质结构的新观点启发人们思索，核内的核子处于核的“环境”之中，它们到底与自由核子有什么区别？核“环境”对核子有什么影响？核内的夸克和胶子的分布如何？它们都参与什么作用？⋯⋯这一系列问题都将与核内夸克自由度等的非核子自由度有关，这些问题已成为当今核物理发展的关键。

目前还不能严格地用量子色动力学描述原子核这样的多夸克系统，考虑到可能存在夸克自由度，有人提出了一个更为大胆的简化核模型。这一模型从夸克和它们之间的相互作用力出发，采用类似传统的独立粒子壳层模型的方法来解释原子核的各种性质。在考虑夸克间相互作用时，这一模型假定存在有“对力”，而不考虑夸克的禁闭性质。根据这一模型，夸克的色自由度使每个壳层上容许的夸克数恰好与传统壳层模型每个壳层上的核子数相同，这使人们想到，在原子核内的夸克存在有自由度，它们可能不像在自由核子中那样禁闭，那么原子核内的夸克究竟有多大的几率跑出核内的核子之外？原子核内的夸克自由度能否表现出来？在对这些关键问题的研究中，核物理与粒子物理两大学科又重新走到一起，而趋于汇合之中。