一、学科点介绍

    粒子物理与原子核物理是基础物理研究的前沿学科。它以国内外的大型高能物理与核物理实验装置为依托，从理论和实验上研究物质最基本的构成、性质及其相互作用的规律。它与宇宙学和天体物理有着紧密的学科交叉，共同揭示时间和空间的深刻内涵，探索天体演化过程和宇宙元素起源。该学科的发展也将对国防、能源、医疗和信息科学等领域的发展起重要的推动作用。

    本学科培养具有家国情怀、社会责任心和求实进取精神，养成严谨求实的科学态度与作风，具备坚实宽广的理论基础和系统深入的专业知识，掌握科学研究的基本方法与逻辑，拥有分析与解决问题能力、理论与实践结合能力的研究性或应用性专业人才。本学科培养的硕士要求了解并掌握相关学科历史、现状与发展趋势，在某一方向开展了一定的研究，能承担相关院校、科研院所及高科技企业的教学、研究及开发与管理工作；培养的博士要求具有坚实宽广的学科理论基础，能够深入了解学科的现状和发展方向，并能对某些重要的前沿课题独立开展富有创造性的实验或理论研究工作，能胜任高等学校、科研院所及高科技企业的教学、科学研究及开发与管理工作。

 

二、学科点研究方向

研究方向1：原子核结构

    导师团队：龙文辉 (教授 博导)、孙保元 (教授 博导)、牛一斐 (教授 博导)、陈芳祁 (副教授)、马娜娜 (副教授)、王之恒 (副教授)。

    该方向致力于发展原子核结构理论或模型，研究介质中核子-核子相互作用，求解强关联的量子多体问题，从而精确描述与预言原子核的基态与激发态结构、跃迁与衰变等性质，理解原子核结构现象背后的物理机制。学科的前沿问题主要包括量子多体问题的精确求解、核素图的边界是什么、远离稳定线核区的奇特现象等，针对这些前沿问题，团队主要致力于以下研究内容：

    1.原子核量子多体理论、介质中核子-核子相互作用等

    2.原子核基态性质研究、奇特原子核新奇现象与近滴线区物理研究、包含奇异自由度的超核物理研究、机器学习在原子核物理中的应用等

    3.原子核振动激发与转动激发研究、原子核的弱相互作用过程（贝塔衰变、电子俘获、中微子原子核反应、无中微子双贝塔衰变）等。

    近年来，团队取得了若干代表性创新成果，主要包括：

    1.建立并发展了了相对论Hartree-Fock (RHF) 与相对论Hartree-Fock-Bogoliubov (RHFB) 核结构理论模型，实现核素图上大部分原子核结构性质的准确描述，揭示了核结构中赝自旋轨道对称性恢复的新机制，为核力及其介质效应研究提供指导；预言与解释丰中子原子核中的新奇现象，包括晕现象、气泡结构和稳定三轴形变等，理论预言被发表在《自然 物理》杂志的实验工作证实。相关工作曾获教育部自然科学奖一等奖，被《物理评论C》遴选为编辑推荐。

    2.基于Hartree-Fock-Bogoliubov模型建立了超越无规相位近似的准粒子振动耦合模型，统一描述原子核集体振动的能量与共振宽度，并揭示巨共振微观结构与共振宽度起源的微观机制。基于该理论，进一步计算了原子核的贝塔衰变寿命，将闭壳与半开壳原子核贝塔衰变寿命的描述精度提高1-2个量级，解决了精确描述幻数原子核贝塔衰变寿命的难题。相关工作发表在物理学顶级杂志《物理评论快报》。

    3.基于生成坐标方法与角动量投影技术，发展了能够在同一框架下描述形变自由度上的集体激发与非集体的多准粒子激发的微观理论模型。基于该理论研究了形变原子核的低自旋与高自旋激发态，探讨了集体激发与非集体激发模式在形变核低激发态中所扮演的角色，揭示了原子核手征模式、摇摆模式、剪刀模式的转动图像。相关工作发表在物理学顶级杂志《物理评论快报》。

    4.基于机器学习，将神经网络方法成功引入原子核巨偶极共振、α衰变、原子核质量与贝塔衰变寿命的理论研究，发表了以威尼斯wns8885556中国命名的原子核质量表。

 

研究方向2：核天体物理

    导师团队：牛一斐 (教授 博导)、龙文辉 (教授 博导)、孙保元 (教授 博导)、王之恒 (副教授)

    该方向是核物理与天体物理的交叉方向，旨在利用原子核结构、衰变与反应等性质，理解天体物理中的恒星的诞生、演化与消亡、元素起源、致密星体物理等。该方向的前沿问题主要包括：核物质的状态方程是什么，重元素是如何起源的，星体是如何爆炸的等。针对这些问题，该方向的导师团队开展了以下研究工作：核物质状态方程研究、重元素起源研究、超新星爆发研究、中子星物理等。

    近年来，导师团队在该方向取得若干代表性创新成果，主要包括：

    1.针对奇特原子核中发现的新集体振动模式——矮偶极共振，首次揭示了矮偶极共振结构同位旋劈裂的微观机制，给出矮偶极共振强度与对称能斜率的关系，并指出在奇特原子核中，由于矮偶极共振的出现，恢复了原子核的电偶极极化率与对称能斜率良好的线性关系，为高密度核物质状态方程提供重要约束。相关工作发表在物理学顶级杂志《物理评论快报》。

    2.重元素起源是21世纪十一大待解谜题之一。快中子俘获过程(r-过程)产生了约一半的重元素，其研究一直是核天体物理的难点。针对r-过程研究所需的核物理输入量，如质量、贝塔衰变寿命和中子俘获率，指出粒子振动耦合效应对于精确描述贝塔衰变寿命的重要作用，以及温度效应对天体环境中的中子俘获率产生的重要影响。采用r-过程模拟软件，对r-过程进行动态模拟，研究了原子核裂变性质对太阳系重元素丰度分布的影响。

    3.基于密度泛函理论，建立了有限温度的准粒子无规相位近似模型，研究了天体环境下原子核的电子俘获率，为超新星爆发模拟提供重要核物理输入量。

 

研究方向3：粒子物理

    导师团队成员包括：于福升（教授 博导）、李培荣（青年研究员 博导）、肖栋（青年研究员 硕导）、刘凯（青年研究员）。

    学院粒子物理方向具有从理论研究（于福升）到实验数据分析（李培荣、肖栋）再到探测器硬件（刘凯）的完整团队。参与了北京正负电子对撞机上的BESIII实验（李培荣、肖栋、刘凯）、欧洲核子中心大型强子对撞机LHCb实验（刘凯、李培荣）和超级陶粲装置探测器的研发（刘凯、李培荣）。李培荣担任BESIII合作组粲重子组召集人。粒子物理研究团队是一支朝气蓬勃的研究队伍，是国内和国际上活跃在重味物理与强子物理研究前沿的一支重要力量。

    粒子物理学是研究物质组成的基本粒子及其基本相互作用，以物质的深层次结构及其运动规律为研究目标。由于许多基本粒子在大自然的一般条件下不存在或不单独出现，物理学家只有使用粒子加速器在高能碰撞的条件下才能产生和研究它们，因此粒子物理学也被称为高能物理学(high-energy physics)。

    在2012年Higgs粒子被发现后，粒子物理标准模型预言的基本粒子全部被发现，标准模型取得了前所未有的巨大成功。但粒子物理还有许多问题悬而未决，当前粒子物理学主要目标是寻找超出标准模型的新物理和理解强相互作用非微扰性质。在粒子物理的高精度前沿，基于大科学装置获取的海量实验数据开展相关的理论与实验研究工作，将帮助我们解决其中一些重要的问题。

    重味物理和强子物理是典型的高精度前沿领域。重味物理研究含重味夸克（粲夸克或底夸克）的介子或重子的产生和衰变性质，探索正反粒子不对称性（CP破坏）的起源。强子物理研究轻强子谱、重味强子谱，研究四夸克态、五夸克态等奇特强子态的性质。重味物理和强子物理覆盖从GeV到MeV的能量区间，联系了微扰与非微扰强相互作用，是研究强相互作用基本理论—量子色动力学（QCD）—的低能非微扰性质的有利场所，对探索物质世界最深层次结构及寻找新物理有重要意义。

    近年来，团队成员在粒子物理理论和实验研究方向都做出了有国际影响的工作。主要成果包括：

    1.理论预言寻找双粲重子的最佳过程，指导欧洲核子中心大型强子对撞机LHCb实验首次探测到双粲重子。“首次探测到双粲重子”入选科技部“2017年度中国科学十大进展”，LHCb中国组负责人高原宁院士致谢并评价说“双粲重子的发现是理论与实验结合的典范”。

    2.理论提出因子化辅助的拓扑图方法，预言粲衰变的CP破坏被LHCb实验证实。实验上首次发现粲衰变CP破坏被评为英国《物理世界》“2019十大突破”，我们的理论预言较实验发现早七年，而且是仅有的两个做出准确预言的工作之一。

    3.北京正负电子对撞机BESIII实验上首次精确测量粲重子变的绝对分支比。被“欧洲核子中心”专栏宣传报道，被评为BESIII实验亮点工作。

    4.BESIII实验发现奇特粒子Zcs(3985)，它是四夸克态候选粒子，不同于常规由两个或三个夸克组成的粒子。被《自然》杂志评论为“开启物质研究新篇章”。

 

研究方向 4：激光核物理

    导师团队：胡碧涛（教授 博导）、刘作业（教授 博导）、杜洪川（教授 博导）、丁鹏基（青年研究员 博导）、张毅（副教授 硕导）、沈洁（副教授 硕导）、薛山（副教授）、王集锦（硕导）、孙少华（工程师）等

    该方向瞄准激光与物质相互作用领域的前沿课题，有机融合激光技术、原子物理、原子核物理，通过建立核外电子动力学与核过程的联系，将基于先进激光的探测技术引入核物理，内容包括原子、分子在激光强场中的激发、电离、解离动力学，高次谐波和阿秒脉冲的产生及应用，模拟核裂变的激光探测技术，核跃迁动力学观测与操控，基于窄带线宽激光的精密激光核谱仪研制和核裂变及裂变碎片核结构研究等。

    近年来，导师团队在该方向取得若干代表性创新成果，主要包括：

    1.针对微观粒子超快动力学的完全重建问题，我们提出了附加相位分析方法，基于瞬态吸收光谱测量，将体系的动力学演化与吸收光谱线型相关联，首次在实验上提取了微观粒子系统的相位信息，并将工作在两个空间尺度延伸，到大分子、高密度原子以及原子核体系，创新了微观粒子动力学的重建和操控研究。

    2.在中能核物理研究中，通过对光致π0介子产生反应的实验观测发现了在高能区域（大于3 GeV）实验结果与基于扰动量子色动力学的理论模型给出的预测值不符合，且当入射光子能量在5.6 GeV附近时反冲质子的转移极化度分量和诱发极化度分量与入射光子能量和出射π0介子角度有着强烈依赖关系，此现象既是高质量共振态可能存在的佐证，也证明了在此能区强子螺旋性不守恒，pQCD理论不适用。此外还全面参与了美国杰佛逊国家实验室核子横向自旋的物理实验研究，并在国内分析提取了pretzelosity 不对称性的实验结果。不仅如此，在新型粒子探测方面也做了大量的研究工作。

    3.将激光超快动力学的研究成果进行转化应用，研制了针对放射性背景下长寿命放射性核素快速分析的激光核素测量仪，弥补了传统的放射性射线测量的劣势，对现有核探测体系形成了有效补充。最近，我们基于超快探测技术，提出了模拟核裂变的超快探测方案。本项研究在“十三五”、“十四五”期间获得了国防重点项目的持续支持。

    4.高次谐波产生中电离与再结合时刻的精确探测是阿秒科学研究的重要课题，是有望突破核超快过程探测的途径之一。目前高次谐波产生中电离与再结合时刻的探测主要是通过垂直偏振的双色场方法。该方法测量的电离和再结合时刻与未包含库仑相互作用的量子轨道模型的结果一致，无法反映库仑场的影响。针对该问题，我们提出了测量库仑场诱导电离时刻偏移的高频垂直双色场方法，并发展了利用传统垂直偏振双色场精确提取电离时刻的理论方法。

 

三、相关课程和基础要求

    硕士：

    入学前应熟练掌握普通物理、四大力学、高等数学、线性代数、数学物理方法、基本的编程语言与数值计算方法等基础知识；了解1门计算机编程语言；具有一定的数值分析与模拟能力；掌握一门外国语，具备一定的听说读写能力。

    通过硕士期间系统学习后，能掌握高等量子力学、群论、原子核物理等基础知识，具备一定的人文社科知识基础，熟练掌握研究方向相关的专业知识；具备有效获取各自方向专门知识的方法和能力；熟练掌握1门外国语，具备良好的交流以及专业外文写作与资料查阅能力。

 

    博士：

    入学前应熟练掌握普通物理、四大力学、高等数学、线性代数、数学物理方法、基本的编程语言与数值计算方法、原子核物理等物理学基础知识以及高等量子力学、高等原子分子物理等相关知识，熟练掌握1门计算机编程语言，具有较强的数值分析与模拟能力；具备良好的外文交流以及专业外文写作与资料查阅能力。

    通过博士期间系统学习后，掌握高等量子力学、群论、量子场论、原子核结构等基础知识，具备较为宽广的人文社科知识基础，能灵活掌握本研究方向相关的专业知识，具备有效、快速获取各自方向最新知识的方法和能力；能够跟踪聚焦本专业学术前沿，具有发现、分析以及独立解决问题的能力。