有第4代夸克吗?

在粒子物理的标准模型中,物质是由称作夸克和轻子的基本粒子组成的。6种已知的夸克——上夸克与下夸克、粲夸克与奇异夸克、顶夸克与底夸克——分为3代。但是,有没有第4代夸克呢?为了回答这一问题,需要进行数百项物理学与核物理学的测量。然而,并非所有的测量是可进行的或是足够精确的,许多参数只是推断出来或外推出来的。现在欧洲粒子物理中心CERN的Peter Plattner与他的合作者展示了如何用一种单独的测量就可改变我们对这一基本问题的认识。

五种新同位素的发现仅是开始

尽管某些同位素可以存活数小时、数周甚至数千年,但另一些同位素却以极快的速度闪现,以至于科学家无法确认它们的存在。天体物理学家认为,这些稀有的同位素粒子尽管寿命短暂,却在恒星的演化和宇宙重元素的形成中起着重要的作用。最近,密歇根州立大学稀有同位素束设施(FRIB)的研究人员已经制造并鉴别了五种从未见过的稀有同位素,这些同位素都包含大量的中子。

利用高能中微子探索宇宙线起源之谜

一、引言早在1912年,科学家就观测到了宇宙线,其主要成分是质子(约90%)和氦核(约9%)的高能微观粒子。迄今为止,观测到的宇宙射线中最高能量接近3×1020电子伏特,约等于48焦耳,相当于一颗时速150千米的网球的动能。一个直径远远小于原子的微观粒子被加速到如此惊人的宏观能量,比地球上最大的粒子加速器LHC所能产生的最高能量大7到8个量级。这让我们很自然地产生疑问:如此高能的宇宙线来自哪里?它们是怎么被加速到这么高能量的?

基于直接CAD几何模型的辐射场生成技术研究及应用

介绍了基于直接CAD几何模型的3维辐射场生成技术及其应用情况。在大规模并行非结构网格蒙特卡罗粒子输运方法的基础上,结合在线地图、SolidWorks等直接CAD几何模型,提出了1种适用于电子元器件、复杂厂房几何和大区域城市环境的高效辐射场生成模拟计算方法。并基于该技术实现了安卓设备电路板辐射场、复杂放射源迷道辐射环境和核辐射在百米量级城市环境建筑物区域的数值模拟,获取了全空间的辐射场中子注量率和能量分布信息,验证了该项技术在电子元器件辐照效应、放射源屏蔽设计和核辐射瞬发效应仿真应用中的可行性。

中国先进研究堆工程科学应力谱仪性能优化与刻度研究

为充分发挥中国先进研究堆工程科学应力谱仪在工程构件残余应力表征的作用,在常用金属测试所需的中子波长约0.164 nm下进行谱仪的性能优化和刻度研究。在此波长下,将Fe(211)衍射峰的峰位误差作为光路优化的品质因数,通过调整单色器的水平聚焦和垂直聚焦姿态,获得了最优性能的聚焦光路。采用金箔活化法测试了样品处中子注量率,在反应堆满功率60 MW的条件下,样品处中子(波长0.164 nm)注量率为3.0×10^(7)cm^(−2)·s^(−1)(±4.5%),在衍射角约90°的分辨率为0.42%。使用带缝隙的镉片测试了探测器的位置分辨,获得探测器水平方向的位置分辨为(1.44±0.03)mm。本工作完成了谱仪的光路优化与性能刻度,为谱仪投入运行奠定了实验基础。

^(252)Cf自发裂变K X射线发射与动能-电荷关系

原子核裂变后多物理量间的关联测量是认识裂变过程直接有效的实验手段,然而由于初级裂变产物准确的电荷鉴别仍面临技术困难,电荷相关的多参数研究相对匮乏.为此,通过高分辨的低能高纯锗探测器和金硅面垒探测器开展了^(252)Cf自发裂变的裂变碎片K X射线和动能的符合测量.利用K X射线可以很好地鉴别电荷数Z=39—62的裂变碎片,电荷分辨ΔZ≈0.7,K X射线产额呈现强烈的电荷相关性.借助K X射线给出了碎片平均动能和平均总动能及其分布宽度随核电荷数的分布,轻碎片动能分布具有鲜明的奇偶效应,偶Z碎片的动能比奇Z碎片的高约0.48 MeV;平均总动能在Z=52—53处达到峰值,总动能分布宽度在Z=56附近呈现凹坑,这反映了形变壳结构对断点形状的显著影响.裂变碎片K X射线发射的信息及动能-电荷关系研究可为裂变独立产额测量和裂变理论模型的检验提供必要的参考数据.

基于透镜阵列多元聚焦的连续晶体三维位置灵敏探测器设计和仿真

连续晶体闪烁体探测器可以实现γ射线作用点的三维位置定位。本文提出一种新的探测器结构,引入透镜阵列实现作用点定位。探测器采集多元聚焦图像,从而改变对连续晶体闪烁光分布探测的需求。文中建立连续晶体、透镜阵列和光子计数器阵列的模型进行模拟研究,建立多元聚焦的光路反演重建算法定位γ射线作用点的三维位置。通过重建结果分析评估基于透镜阵列的连续晶体探测器性能,这种结构具有较好的定位能力和位置分辨。对于尺寸为48 mm×48 mm×45 mm的硅酸钇镥(LYSO)闪烁晶体,实现了xy平面位置分辨优于1.54 mm,z方向位置分辨优于3.13 mm。基于连续晶体和透镜阵列结构的探测器还可对多作用点的情形进行重建,分析三组选定位置的重建结果,该结构对双作用点定位具有可行性。

用于氚产生率在线测量的小型背靠背锂玻璃探测器

为了实现强伽马场环境下的造氚率在线测量,研制了小型“背靠背”6Li/7Li玻璃探测器。每块锂玻璃闪烁体的尺寸为3.0 mm×3.0 mm×0.4 mm,闪烁体之间及侧面采用0.5 mm二氧化钛作为反射层,整体尺寸为4.0 mm×4.0 mm×1.3 mm。7Li玻璃探测器测量伽马产生的信号作为6Li玻璃探测器的伽马本底扣除。通过对标准60Co源的伽马射线脉冲幅度谱测量,验证了两个闪烁体对伽马场响应的一致性;在反应堆热中子孔道处和252Cf中子源直照等强伽马环境下测量了脉冲幅度谱,获得的中子伽马信噪比都大于1,表明可以有效扣除伽马本底。验证实验研制的锂玻璃探测器在强伽马场环境下仍能有效甄别伽马,可用于聚变堆和聚变-裂变混合堆实验包层模块内造氚率高精度在线测量。

三轴形变核^(131)Ba中的奇异集体激发模式

利用意大利Legnaro实验室串列静电加速器提供的65 MeV^(13)C束流与122Sn靶的熔合蒸发反应布居了^(131)Ba的高自旋态,并搭建了新的能级纲图.新的能级纲图由15条转动带组成,包括三对手征双重带,其中两对正宇称手征带为赝自旋-手征四重带.正负宇称手征带通过一系列增强的E1跃迁连接,表明它们之间存在八极关联.在低自旋区域搭建了一条新的转动带,通过一系列γ跃迁向νh1_(1/2)晕带退激.这种能级结构与摇摆带相似,但基于现有的实验证据还难以将它确认为摇摆带,不能排除其他集体激发机制,如γ振动的影响.

时间投影室原理及其应用

时间投影室是一种广泛应用于大型物理实验的粒子鉴别探测器,它通过粒子径迹产生电离电子的漂移时间和漂移方向的投影位置确定径迹三维坐标,具备较好的能量分辨和很高的位置分辨能力。自时间投影室被发明以来,已广泛应用于国外的大科学实验装置上,在对撞机和固定靶实验等方面均发挥了很大的作用。虽然国内的科研机构在早期对时间投影室进行过一些初步研究,但由于技术的限制并没有展开过很多应用。近十年间,伴随着锦屏地下实验室的PandaX-Ⅲ实验的开展、东莞中国散裂中子源等一批科研装置的落地、环形正负电子对撞机的概念设计完成,时间投影室作为主径迹探测器在这些实验中承担了很大一部分工作,并已进行了更多的研发和使用。现阶段有必要对时间投影室在国内外的具体应用与发展进行梳理,本文先梳理出时间投影室的发展历史、工作原理和现状以及时间投影室上核心读出探测器的发展,然后介绍时间投影室在国外大科学实验装置上的应用和最新进展,最后给出时间投影室在国内科研项目上的应用。以此为时间投影室下一步的研发与应用奠定基础。

西北核技术研究所强脉冲辐射模拟装置近年发展综述

西北核技术研究所是我国强脉冲辐射环境建设的主体单位,成立至今自主成功研制了一系列大型辐射模拟装置,形成了具有我国自主特色的辐射环境模拟体系和技术体系。近10年来,随着应用需求的持续拓展,西北核技术研究所在辐射模拟装置及其技术方面取得了新突破。本文重点介绍了西北核技术研究所近年新建成的大型强脉冲辐射模拟装置,包括大面积脉冲γ射线试验装置“云光一号”、4 MV脉冲X射线闪光照相装置“剑光二号”及强脉冲X射线试验装置等,分析了感应电压叠加、快脉冲直线变压器、多型射线负载等方面取得的最新技术进展,提出了未来强脉冲辐射模拟装置建设及其关键技术发展的初步设想。

数值反应堆堆芯与E级高性能计算的科学内涵

反应堆是一复杂的系统过程,是由中子场、温度场、流场、应力场、化学场等多个物理过程相互耦合的装置,这些物理场涉及从微观核反应到宏观能量释放的多尺度作用机理。随着E级(1 000PFLOPS,百亿亿次/每秒)计算机的问世,核能发展的总趋势正从传统工程驱动模式向以高性能数值模拟为主转变。当前四代堆设计立足小型化和精密化,高分辨率数值模拟对提升核装置性能和降低裕量作用突出。为研究解决当前模拟软件与计算机之间存在的浮点效率低、移植周期长、模式通用难和规模扩展难等问题的办法,突破软件和硬件之间存在的编程墙和性能墙,本文通过解读美国NEAMS、CASL和ECP计划,结合团队近年在数值反应堆和高性能计算关键技术突破方面的经验,提出基于并行中间件的集成共性、发展个性的技术路线,探索一条快速提升我国自主CAE软件整体水平的途径,供业内同行探讨,以在国产超级计算机上实现核装置的精细化建模和多物理、多尺度、多过程耦合计算。

基于ENDITS-2.1的CENDL-3.2临界基准检验

中国评价核数据库CENDL-3.2于2020年6月正式发布,并在ND2019上介绍了基于系统化宏观检验工具包ENDITS-1.0的临界基准检验结果。为更广泛测试新评价数据库的临界计算准确度并为将来的评价数据改进提供反馈,中国核数据中心发展了ENDITS-2.1,并用其中2237个来自国际核临界安全手册ICSBEP2006的临界基准实验对国际最新版本的评价核数据库进行了临界基准检验。利用趋势分析方法和统计卡方对检验计算结果进行了分析,确定了获得改进的临界系统和评价数据,确认CENDL-3.2较CENDL-3.1有明显改进,临界计算准确度达国际领先水平。最后,结合对灵敏核素相关统计卡方的分析以及皮尔逊卡方检查,提出了CENDL-3.2库高优先级待改进核素清单,确定了CENDL库需要优先改进235,238U、239,240Pu、232Th等16种核素的核反应数据。

基于实稳定方法的原子核单粒子共振相对论Hartree-Fock模型

利用坐标空间的实稳定方法,在相对论Hartree-Fock(RHF)理论框架下发展了原子核单粒子共振态结构模型.具体以^(120)Sn的低激发中子共振态为例,探讨了交换项在影响共振能量、宽度以及自旋-轨道劈裂等性质中的作用.相较于一般的相对论平均场(RMF)理论,RHF中交换项的引入改变了核介质中有效核力的动力学平衡机制,进而影响共振态单粒子势的描述.对于一般的宽共振态,这可能导致相对更低的共振能量和更小的共振宽度.此外,对^(120)Sn共振态中νi_(13/2)与νi_(11/2)自旋伙伴态,还分析了交换项对其自旋-轨道劈裂的相关效应.与束缚态情形相比,共振态中自旋伙伴态的波函数可能存在显著区别,单粒子有效势与能量也相应发生改变.结果表明,不仅自旋-轨道相互作用,单粒子有效势中其他成分也是影响共振态自旋-轨道劈裂的重要因素.

超过30 GeV的强激光锁相直接电子加速

当超强激光斜入射辐照固体时,预脉冲会先将固体表面等离子体化,随后主脉冲将与等离子体相互作用并最终被等离子体反射.同时,等离子体中的部分电子将锁定在激光场的加速位相,随后在激光场中获得有效加速,该过程被称为锁相电子加速.由于目前超强激光的电场强度已接近TV/m量级,因此如果电子在激光场加速位相中停留足够长的时间,便有可能获得百GeV甚至TeV量级的能量.本文针对现有的超强激光参数,通过单电子动力学模型,对锁相机制中电子在激光场的加速过程展开系统研究.研究结果表明,峰值功率为10 PW量级的强激光可将电子直接加速至30 GeV左右.本研究还给出了锁相加速机制中锁相电子的远场能量角分布,以及最终能量等与激光场强度的定标关系.考虑到激光强度的不断提高并且激光锁相电子加速机制也适用于正电子加速,因此本研究结果将有望应用于小型化正负电子对撞机及高能伽马射线源等领域.

重离子加速器中的原子核碰撞虚拟仿真实验的建设与应用

利用虚拟仿真技术,结合教学团队的科研成果,设计开发了重离子加速器中的原子核碰撞等一系列实验教学项目.这些实验项目能够在电脑上再现真实的实验场景,解除了实验场地、费用、防护等方面的限制,为培养学生的实验探究设计能力、开拓学生视野提供了重要支撑.结合虚拟仿真技术的特点,教师团队采用适应的教学方法进行授课,建立了完善的评价体系.经过3年的课程建设,该课程在学生培养、教师教学质量、推广应用方面取得了良好的效果.

深度学习图像重建算法对能谱CT单能量图像质量影响的体模研究

目的 探讨基于深度学习的图像重建算法(DLIR)对能谱CT单能量图像及能谱曲线图像质量的影响。方法 将9支装有不同管径及不同浓度碘造影剂及水和钙溶液的聚丙烯试管放置在1个直径为20 cm的圆柱形聚丙烯体模(QSP)内,采用Revolution APEX CT对体模进行能谱CT成像,利用能谱分析软件重建出40~140 keV单能量图像及能谱曲线,选取碘造影剂浓度为3.75 mgI/mL(可模拟延迟期或实质脏器增强等)、15 mgI/mL(可模拟动脉期的腹主动脉)及Water(可模拟平扫期及囊肿、肌肉等用于图像背景的非增强物质)3支试管进行数据测量,分别在FBP、40%ASIR-V(常规临床检查参数)及True FidelityTM(DLIR-L、DLIR-M、DLIR-H)5组图像测量单能量图像(40 keV、70 keV、100 keV)的CT值,计算图像的信噪比(SNR),对比5组图像质量的差异。结果 低浓度碘造影剂(3.75 mgI/mL)、高浓度碘造影剂(15.00 mgI/mL)及水试管内FBP、40%ASIR-V及True FidelityTM(DLIR-L、DLIR-M、DLIR-H)5组图像40 keV、70 keV、100 keV的CT值比较,差异无统计学意义(P>0.05)。40 keV、70 keV、100 keV图像噪声及图像信噪比5组比较,差异均有统计学意义(P<0.05)。True FidelityTM下的噪声值均较FBP及40%ASIR-V降低,图像信噪比提高(P<0.05),True FidelityTM-DLIR-H噪声最小,信噪比最高。结论 在能谱CT成像中,True FidelityTM较FBP及40%ASIR-V在单能量图像噪声降低,信噪比提高。

某钻孔丢失放射源辐射影响模拟与评估

某地质钻孔丢失的测井放射源已位于某矿近期规划的采煤工作面之内,为确保矿井后期生产安全,需对该放射源的现状和影响进行评估。针对放射源可能所在的地层层位和辐射影响途径进行了分析,采用蒙特卡罗法模拟该放射源在地层中的辐射影响程度与范围并提出应对措施。结果表明:丢失放射源对地下水环境的影响较小,在实际地层屏蔽条件下,放射源的影响范围显著受限,但若煤矿开采导致放射源暴露至环境中,可能引发辐射事故,建议煤矿在开采设计中采取留设煤柱或随采随测的防护方案,以确保矿井后期的安全生产。将蒙特卡罗方法应用于放射源在地层中的辐射影响评估,并结合煤矿开采实际情况提出了相应的防护措施,可为类似事件的解决方案提供参考和经验反馈。

利用LHAASO实验检验相对论并探索新物理

中国高海拔宇宙线观测站(LHAASO)探测到了迄今最高能量的宇宙光子,其能量超过拍电子伏特量级,开启了超高能伽马天文学的新时代。LHAASO合作组完整记录了伽马暴GRB 221009A的全程爆发过程,首次测得来自伽马暴超出10 TeV的高能光子。这些发现不仅对人们理解宇宙线起源具有重要意义,也为检验相对论并发现新物理提供了很好的契机。文章简要介绍LHAASO的这些观测结果,并指出这些结果可在检验爱因斯坦狭义相对论中洛伦兹不变性、恒定光速的基本假设,以及探索新物理机制的研究中发挥重要作用。

磁场背景下具有手征化学势的PNJL模型下的手征相变

采用具有两个味道的PNJL模型研究了均匀磁场背景下的手征相变,特别是磁场对手征相变的临界手征化学势的影响.结果表明,磁场对手征对称性自发破缺具有催化作用,即临界手征化学势随着磁场增大而增大.夸克的组分质量随磁场增大,但它随手征化学势的变化不一定是单调的,在接近临界手征化学势时,夸克的组分质量会单调减小,直至发生手征相变.同时也讨论了体积对临界手征化学势的影响,发现在简化处理方式下,系统尺度的减小会导致临界手征化学势的明显增大.