科研进展与成果

高能核物理与粒子物理方向：

1.  重离子碰撞中会产生很强的磁场，而强磁场的存在破坏了空间转动不变性，这使得夸克胶子等离子体的输运性质发生很大的改变：这时的剪切粘滞系数有5个，体粘滞系数有2个。这些输运系数的计算构成了一个新的课题，不但具有纯理论的价值，而且对于更准确地了解夸克胶子等离子体的流体力学演化也很重要。我们计算了夸克胶子等离子体的两个体粘滞系数，同时也定性讨论了5个剪切粘滞系数。黄旭光组的计算是基于最低Landau能级近似，而且计算是在耦合常数的leading-log阶精确的。[K. Hattori, X.-G. Huang, D. H. Rischke, D. Satow, Bulk Viscosity of Quark-Gluon Plasma in Strong Magnetic Fields, Phys. Rev. D96, 094009 (2017)]

2.   强磁场下的费米子会形成Landau能级，在有相互作用的情况下，会催化手征对称性的自发破缺，这被称为手征对称性破缺的磁催化。黄旭光组研究了有限系统下面的磁催化现象。该组考虑束缚在圆柱形空间区域的夸克系统，并施加无夸克流边界条件。研究发现边界效应会强烈影响Landau能级，特别是使得Landau能级退简并，这对于大的角动量量子数的态尤为明显。这使得在边界处聚集起大量量子态，从而使得磁催化效应在边界处变得更明显，黄旭光组命名这种现象为表面磁催化现象。[H.-L. Chen, K. Fukushima, X.-G. Huang, K. Mameda, Surface Magnetic Catalysis, Phys. Rev. D96, 054032 (2017)]

3.  众所周知，二维系统在热力学极限下在有限温度下没有对称性自发破缺，但是却可以发生所谓Kosterlitz-Thouless（KT）相变。这一发现使得Kosterlitz和Thouless获得2016年诺贝尔奖。对于二维超流或超导费米系统来说，在KT相变温度以下还有另一临界温度，在该温度以下系统会形成有序的涡旋-反涡旋的格子结构。这些现象在s波超流体中已被详尽地研究了。黄旭光组研究了具有p波或d波配对的二维费米超流体中的KT相变和涡旋-反涡旋格子熔解相变。研究发现随着相互吸引力的增加，这些系统中会发生从BCS态到BEC态的过渡，其中伴随一个弱的量子相变。在BCS-BEC过渡过程中，KT相变温度和涡旋-反涡旋格子熔解温度都增加，并在BEC极限下趋向定值。黄旭光组同时也研究了具有不对称费米面的费米系统在发生d波超流时的特殊性质。[G. Cao, L. He, X.-G. Huang, Kosterlitz-Thouless transition and vortex-antivortex lattice melting in two-dimensional Fermi gases with p- or d-wave pairing, Phys. Rev. A96, 063618 (2017)]

4.  手征磁效应和手征涡效应是当前重离子碰撞实验非常关心的探测目标，但是实验观测量总是含有椭圆流背景的贡献，这导致很难从末态观测量中确定是否在初态发生了这些反常输运现象。黄旭光组用流体力学定量研究了手征涡效应，在Quark matter 2017会议上报告了初步结果。黄旭光组还定量研究了isobar碰撞中的手征磁效应的可分辨性，同样在Quark matter 2017会议上报告了结果。[X.-G. Huang, W.-T. Deng, G.-L. Ma, G. Wang, Chiral magnetic effect in isobaric collisions, Nucl. Phys. A 967,  736–739 (2017)]。[X. Guo, D. Kharzeev, X.-G. Huang, W.-T. Deng, Y. Hirono, Chiral vortical and magnetic effects in anomalous hydrodynamics, Nucl. Phys. A 967,  776–779 (2017)]

5.  研究B介子的CP破缺，寻找与理论预言不一致的新CP破坏现象和超出标准模型的新物理。尽管目前的标准模型能够解释粒子物理实验中观测到的所有的CP破坏现象，但是这些观测到的CP破坏的量远远不足以解释宇宙中正反物质的非对称性。B介子的不含粲偶素末态的三体衰变为我们提供了很好的寻找不同CP破坏来源的机会。这些衰变道包括B⁰K_sK⁺K^-, B⁰K⁺K^-⁰, B⁺K⁺⁰⁰, B⁺K_s⁺⁰等，这些衰变道都含有中性末态，预计Belle II会在粒子物理领域主导这些衰变道的测量结果。 LHCb已经在与以上衰变道类似的全带电末态的三体衰变中发现了大的CP破坏现象，所以复旦组可以通过对这些物理过程的研究来寻找与理论预言不一致的新CP破坏现象以及超出标准模型的新物理机制。

6.  寻找稀有衰变B_sK_s⁰和B_sK*⁺K*^-，检验标准模型的预言。B介子不含粲夸克强子末态的两体衰变不仅对理解标准模型中的CP破坏和味道混合至关重要，而且是寻找超出标准模型的新物理的非常重要的手段。所有B_sh⁺h’^-的衰变过程都已经被观测到了，其中h(’)代表K介子或者介子。但是稀有衰变过程B_sK_s⁰和B_sK*⁺K*^-却至今没有被世界上任何实验观测到。这两个衰变道之所以这样引人关注，是因为他们主要是分别通过b夸克到d夸克和b夸克到s夸克的企鹅费曼图发生，所以对超出标准模型的新物理会极度敏感；对B_sK_s⁰来说，由于末态有中性粒子，所以Belle II实验会比LHCb实验更容易测量到（Belle II实验上的中性粒子探测器性能更好）。在Belle II实验上，复旦组将有很多机会首次发现该衰变过程，也将有机会通过这两个过程找到超出标准模型的新物理。

7.  在轻子的衰变过程来寻找轻子数不守恒现象，研究宇宙物质形成和正反物质不对称的机理 。中微子振荡的发现直接暗示轻子味量子数是破坏的，而大亚湾中微子实验成功测量₁₃这一基本参数(接近8.8)，令世界瞩目。大亚湾的实验结果为测量中微子振荡中可能的CP破坏打开了窗口，从而为寻找超出标准模型的新物理在实验上向前迈进一步。一方面，中微子实验直接暗示带电轻子味有可能是破坏的，任何实验可测的带电轻子味破坏信号都是新物理的直接证据。另一方面，从宇宙形成的角度和宇宙学标准模型来说，需要重子数破坏，而重子数破坏也暗示可能的轻子数和轻子味量子数是破坏的，所以寻找带电轻子味破坏(cLFV)有助于揭示宇宙物质形成和正反物质不对称的机理，本研究是粒子物理乃至物理学领域最重要的课题之一。

8.  e+e-  γ+chi_cJ的测量。如何在更多的产生机制中寻找和研究新型强子态一直是一个问题，Belle曾经在Upsilon(1,2S)辐射衰变中寻找过C宇称为正的粲夸克与类粲夸克偶素态，但限于统计量并未找到信号。同时这些测量也为违反理论计算。最近的文献arXiv:1712.06165给出了在B工厂的continuum过程的辐射过程中chi_cJ的产额计算。计算结果显示在Belle数据样本中能找到客观的信号，而Belle的测量结果将明确用于检验这一领域常用的非相对论QCD（NRQCD）理论计算的有效性。这一过程的另一重要意义在于在电磁相互作用过程中寻找C宇称为正的奇特强子态，拓展在Belle II实验中寻找和检测奇特强子态的方法。研究到达最后结果检查和撰写BelleNote阶段，预计近期进入合作组审核和发表阶段。复旦大学是通信作者单位。

9.  在Upsilon(1,2S)的单举道衰变中寻找衰变到J/ψ+p的五夸克态。在J/ψ+p的末态中找到五夸克态P_c的候选者是近几年LHCb实验的一个最重要贡献。考察目前世界上所有高能物理实验，在Belle以及马上取数的Belle II的Upsilon(1,2S)的衰变中寻找J/ψ+p的末态是最合适的检测P_c的办法之一。如果得到确认，将极大推进多夸克态这一新的强子态形式的建立。研究到达撰写BelleNote阶段，预计近期进入合作组审核和发表阶段。复旦大学是第一作者兼通信作者单位。

10.  在初态辐射过程e+e- → KKψ(2S)中寻找Y(4660)的信号。Y(4660)是目前质量最高的类粲偶素粒子之一，在被Belle发现以后虽然已经得到BaBar实验的确认，但并未在ππψ(2S)以外的末态中得到研究。考虑到f₀(980)含有比较多的ssbar夸克成分，在KKψ(2S)末态中寻找Y(4660)是一个优先选择。由于Y(4660)具有几乎最高的类粲夸克偶素质量，预计可以通过它的各种衰变末态中产生其他的多个新型强子态。因而，研究清楚Y(4660)的性质将有力推动新型强子态领域的发展。研究到达撰写BelleNote阶段，预计近期进入合作组审核和发表阶段。复旦大学是第一作者兼通信作者单位。

另外，课题组也正在做相关产生子的工作，包括与王平博士以及北航合作，把拓展性初态辐射过程的产生子PHOKHARA从Belle移植到Belle II软件环境，以及研究把新的双光子过程产生子EKHARA加入到Belle II。这些都为课题组将来继续在初态辐射和双光子对撞两个领域开展研究奠定基础。

由于Belle II现在还没有正式采集物理数据，现在还没有重要进展，预期2018年会有比较重要的进展。复旦组在Belle II实验上B介子不含粲粒子末态相关的产生子升级和维护方面有重要贡献，同时在ARICH探测器上束流相关本底方面的研究中起到了领导作用，这些对Belle II实验的成功运行和重要物理结果的发表都将起到关键作用。

硬件实验室建设方面：

KLM升级是Belle  II组的重要课题。课题组邀请到夏威夷大学ID实验室的Varner教授访问，商讨升级方案，并与国内感兴趣单位取得联系，实现了较好的布局。结合当前电子学方向的发展，KLM的升级方案主要包含两点：1）将后端电子学系统集成到前端，置于探测模板内部，以提高信号强度和降低电子学噪声，并降低探测器复杂程度；2）提高闪烁体的光收集效率与空间分辨能力。

在硬件实验室建设方面，已经投入不少于20万用于基础配备的建设。其中基本包括：一台高性能示波器、两台信号产生器、两台直流稳压电源、实验室用台式机和笔记本、打印机、文具柜、工具柜等。另外购置了一套宇宙线测试系统，包括两块闪烁体+PMT模板，以及相应的高压和数据系统。实验室建设还得到兄弟单位的大力支持，包括Varner教授给我们带来了一套Belle II的KLM所用的电子学系统，以及高能物理研究所吴智副研究员借用的三块闪烁体板。KEK答应支持的一块KLM完整闪烁体模板，目前正在走捐赠手续。这些设备和材料将使课题组能在复旦建立一个完整的用于研究Belle II的KLM子探测器升级的系统。

计算服务中心方面：

为支撑重点实验室的需要和数据分析处理工作，我们正在建设一个高性能的服务器。目前已经投入经费约53万（包括Daekyoung Kang的8万经费），服务器初步性能达到216个CPU核，72TB存储空间，以及56G的IB内部交换机。这在Belle II的GRID系统中能基本达到初等水平，并且将有力支撑重点实验室的各项计算需求。服务器设备现在安装在江湾校区的信息办，正在办理网络配置和托管手续，预计在近期就能实现运行。下一阶段将继续加大CPU计算能力和拓展存储空间两方面的建设，以及优化服务器与校外和国外的网络传输水平。

核技术与辐射安全方向：

1. 聚变等离子体与壁相互作用，研究了氘在C、W、Si及C-W、C-S等离子体壁材料的氢氦同位素共沉积层滞留行为。阐明了沉积温度、等离子体压强和燃烧氦灰与氢同位素滞留的关系，发现He引入会减小C共沉积层中D的滞留，但使沉积层起泡、脱落等；理论研究了在C、W以及WC等各种相的混合情况下氢的滞留行为，从电子态角度深入阐述了氢与W中各种缺陷杂质的交互作用，表明在C-W混合材料中，D滞留量及不同滞留机理处决于材料中混合材料相成分，与我们实验结果相符，解决了人们对C-W沉积层氢同位素滞留的争论。

2.  核微探针技术在ICF靶丸研究中的应用，在微探针靶室上建立了多个离子束分析方法，是目前国际上测量手段最为丰富的核微探针测量分析系统；对GDP薄膜和 靶丸测量了C、H、Ge的相对含量；对靶丸中的H及其同位素含量和分布开展了分析研究。

3.  新型抗辐照损伤核材料的研究，建立了不同条件下离子束辐照与在线离子束分析相结合的技术，开展了新型纳米层状陶瓷-金属MAX相材料（Ti₃SiC_2、Ti₃AlC₂、Ti₂AlC_、Cr₂AlC等）抗辐照性能的研究,采用不同粒子种类（包括自离子、重离子、中子嬗变元素He、H）、损伤速率、辐照温度模拟研究在极端环境下中子辐照对MAX材料微观结构、力学性能的影响，发现其抗辐照性能明显高于目前最佳的SiC，预期是未来很有发展前途的反应堆候选结构材料。

4.  核材料中的氢氦同位素的离子束分析技术，为研究核材料中氢氦同位素行为及效应，系统建立和发展了材料中氢氦同位素浓度、扩散系数的不同离子束分析方法。首次提出了用离子束分析材料中氦泡演化的方法；采用我们发展的新型核靶材料制备方法，系统地测量了质子背散射和弹性反冲分析氢氦的反应截面积（已被IAEA和NIM发表），大大减小了测量误差，填补了部分数据空白。

5.  离子束分析在P型-ZnO半导体材料制备中的应用，ZnO作为新一代半导体材料成为研究热点，p型ZnO薄膜的制备是其应用的关键材料。我们发展了一种简单而独特的方法---氧等离子体热氧化Zn₃N₂法，成功制备出了p型N掺杂的ZnO薄膜材料，发现p型是替位的N离子和ZnO本征缺陷竞争的结果。该方法简单实用，制备的ZnO晶体质量好、空穴载流子浓度高，并且热氧化温度低，甚至在室温就可以得到p型N掺杂的ZnO薄膜，给制备p型N掺杂的ZnO薄膜带来了曙光。

6.   上虞和南京地区出土早期青瓷的PIXE研究，中国是瓷器的发明国。浙江上虞是青瓷的发源地，集中分布着汉六朝时期窑址群，这些窑址群出土的早期青瓷恰好体现 了青瓷的发生、发展的历史脉络。我们使用PIXE对小陆岙、石门坎、凤凰山、山头埕、窑寺前等5窑口出土早期青瓷进行成分分析，结果表明：这些早期青瓷属于高钙釉，胎釉配方具有历史的一脉传承性。根据胎的微量元素（Rb-Sr-Zr）分析，部分南京出土早期青瓷来源于上虞地区[NIMB 2017]。该研究为青瓷的历史发展提供重要的、量化的科学依据。

7. 在放射诊疗的辐射安全与防护研究方面，本年度重点就：1）头部γ刀放疗中X射线CT模拟定位的辐射剂量、2）妇女单侧乳腺癌放疗的二次癌风险、3）容积旋转弧形调强（VMAT）新技术在鼻咽癌和肝癌放疗中的应用，开展了较系统的研究，并发表了相应研究论文4篇。研究结果表明：1）头部γ刀放疗中X射线CT的模拟定位对患者非投照部位增加的辐射剂量不容忽视，患者年龄越小、增加的剂量越不容忽视，并指出了在开展头部γ刀放疗时需要对患者的甲状腺进行防护；2）妇女接受单侧乳腺癌放疗过程中，其健侧乳腺剂量可达１Gy水平，可能增加健侧乳腺癌发生风险对年轻患者不容忽视，在制定放射治疗计划时应尽可能控制对患者健侧乳腺的照射；3）基于VMAT技术的鼻咽癌和肝癌放疗，在靶区剂量和正常组织受量等剂量学表现方面与逆向调强放疗技术（IMRT）或立体定向放疗技术（SABR）相当，但VMAT技术的治疗效率有明显优势。

8. 在微量环境放射性的监测方法研究方面，本年度重点就：1）环境γ辐射组份的甄别测量、2）大气中氚化水（HTO）的采样与测量，进行了深入的研究，并发表了高水平的研究论文2篇。研究结果表明：1）利用4组常用的被动式探测器和3层铅屏蔽方法，可实现环境γ辐射中的宇宙射线软/硬成分、地表γ辐射和人工γ辐射的甄别测量，探测下限可达5 nGy/h；2）新研发的大气中HTO采样器具有优良的环境普适性，新建立的分子筛吸附动力学曲线解决了吸水量与环境湿度的定量关系难题，本研究建立的大气中HTO采样与测量方法适于大范围、长时间的环境调查。

9. 在中子和质子测量方法研究方面，本年度重点就固体核径迹探测器CR-39的探测特性进行了模拟计算和初步的实验验证，并就探测器的蚀刻条件和径迹测读方法进行了深入探讨。目前已完成了可辨别中子能谱的探测器设计和径迹自动测读装置的研制，并已发表了1篇研究论文。

核相关医学生物物理方向

1. 依托重点实验室和复旦大学附属肿瘤医院质子重离子中心/上海市质子重离子医院，建立质子-重离子应用评价技术体系。利用多模态功能图像及液态样本组学检测技术，对个体的生物特征及质子重离子治疗反应进行标定，多模态影像精确分割，纵向（时间序列）影像数据处理，建立治疗范围、剂量的定性/定量跟踪分析，开展功能影像与组学指导的自适应精准放疗，确保实时评估、调整并给予最优治疗剂量，实现基于功能影像与组学指导的质子重离子治疗“自适应精准放疗”。目前1)已启动以前列腺癌重离子，即期疗效评估体系的建立，除常用传统PSA和解剖影像如CT，MRI外，针对功能影像如DWI，PET/CT（choline），ECT（PSMA），利用前列腺癌患者粒子治疗疗程中动态获得的功能影像（fMRI/PSMA/PET）定性/定量分析肿瘤生物学特性的异质性，动态监测粒子治疗前（明确个体的生物特性），中（初步预判治疗敏感与否），后（评估治疗效果的差异性），通过液态生物样本（如血、尿），评估碳离子治疗前后正常组织损伤及肿瘤治疗效应。

2. 依托重点实验室有自主创新的微束质子束仪器装备，联合兰州近物所重离子微束装备，建立不同束流源（质子 Vs. 重离子），不同束流技术（宽朿 Vs. 微束）在生物效应上的异同性。国际现有的二类重离子放射治疗计划系统中的生物效应评估模型（日本：MKM模型；德国：LEM模型）存在一定的偏倚性，在技术上需要新的探索，为质子-重离子精准生物效应评估，实现个性化质子-重离子治疗提供依据。我们将针对质子重离子治疗适用的肿瘤细胞，根据肿瘤细胞几何参数，采用蒙卡方法建立质子/重离子穿越受照细胞核的径迹剂量微观分布；径迹剂量分布结合X/γ辐照存活曲线，计算确定质子重离子辐照肿瘤细胞的剂量存活率关系，构建生物效应模型。目前正进行该研究领域国内外研究现状分折，着手实验设计及可行性报告，形成研究团队。需要重点实验室支持: 1)了解平台功能，设备使用和谁对接？2) 和重点实验室形成研究团队人员待确定。3) 和兰州近物所形成研究团队人员待确定。

3. 依托重点实验室和复旦大学放射医学研究所，协助复旦大学放射医学研究所卓维海教授，开展核径迹三维重建技术与质子重离子治疗剂量学研究。建立质子重离子新型三维验证技术，确保质子重离子临床应用的精准。已经完成科学性及可行性初步讨论。

高电荷离子物理方向

1.   类氦氩（Ar16+）离子Kβ线的展宽与强度可以用来诊断ICF条件下等离子体的电子密度与温度。Ar16+离子KMn系列的共振复合产生卫星线会混合到Kβ主线中，影响电子温度与密度诊断的精度。2017年实验室使用上海EBIT装置，首次测量了Ar16+离子KMn系列的双电子共振复合强度，目前正开展不同理论模型精确度的评估。该研究工作将有效提高使用氩离子Heβ线 高温、高密度等离子体中电子温度与密度诊断的精度。

2.  钨金属将被作为ITER装置偏滤器材料使用，少量钨可能被等离子体侵蚀，输运到等离子体芯部，以高电荷态离子的形式存在。一方面钨离子特征谱可以作为诊断光谱使用，另一方面这种重离子具有极大的辐射能力，产生辐射冷却效应，淬灭聚变等离子体。因而研究钨离子在相应温度条件下的电离平衡、辐射特性和特征光谱等性质尤为重要。2017年，本实验室在这方面完成两项工作。（1）.精确研究测定了W⁴⁵⁺与W⁴⁶⁺在2.2keV附近的X射线谱，其波长精度达到60ppm，并与欧洲联合Tokamak装置（JET）光谱进行了比对，为JET使用多普勒效应诊断离子绝对速度提供了基准。（2）.研究了多个价态钨离子LMM共振，发现在类钛钨（W52+）离子基组态中存在着寿命长达100多年的亚稳态，同时还存在着多个ms量级的亚稳态，这些亚稳态在磁约束聚变等离子体条件下存在这大量的电子布居，这些亚稳态的电子布居将极大地改变相应离子的电离平衡和特征谱，而此前等离子体模拟中均不考虑这些亚稳态的贡献，必须作出新的修正。该工作已发表在PRA杂志中。

3.  高电荷态离子广泛存在于自然界中，离子与原子分子的碰撞是自然界中物质相互作用的主要微观过程之一。实验室中研究高电荷态离子与原子分子的碰撞过程是人们理解多体动力学演化的重要途径，也有助于理解天体等离子体和实验室等离子体。为了开展相关研究，复旦大学于2016年建立了一套150kV的高电荷态离子碰撞平台，经过调试和优化，2017年平台实现工作电压5~150 kV，可以提供H、C、N、O及惰性气体等元素的高电荷态离子束。依托于该平台，利用复旦大学反冲离子动量谱仪，开展了高电荷态离子作用下分子离子碎裂过程的研究。

4.  利用冷靶反冲离子动量谱仪对电子作用下氮分子离子 四个解离通道包括两中性碎片产生通道(N₂⁺ → N⁺ + N, N₂²⁺ → N²⁺ + N)及两库仑爆炸通道（N₂²⁺ → N⁺ + N⁺, N₂³⁺ → N²⁺ + N⁺）进行了分析，实验上测量了各个通道的动能释放（Kinetic energy release, KER）并由此分析了相应分子母离子的电子态。研究发现不同解离通道随入射电子能量上升其表现有很大不同。例如对通道N₂⁺ → N⁺ + N，其KER谱低能部分相对截面逐渐增大而高能部分相对截面逐渐减小；但对另一通道N₂²⁺ → N⁺ + N⁺其KER谱则基本无变化。通过分析比较不同解离通道的KER分布，我们发现分子由不同的分子轨道（如内、外层价电子轨道）单、双电子电离产生了不同的衰退通道且其对入射电子能量的依赖性也不同。因此本研究从动能释放分布的角度，揭示了不同分子轨道电离在分子解离中起到的重要作用。J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 50 (2017) 205202