(復旦學院化學系粒子化學核化學天體化學研究所)
本文選自《物理》2022年第8期?
復旦學院化學系于1982年復系，至今已有40年。化學系復系時，從工程化學系轉過來一批班主任，組成化學系二部的幾個教研組，包括理論化學、固體化學(后改為匯聚態化學)、核化學、原子分子化學教研組等。1999年，教研組改成研究所。復系以后的核化學教研組承繼和發展了若干相關研究方向，包括石油物探、激光核素分離、單原子偵測、原子核高載流子態、電子動量譜學以及量子信息等。其上單原子偵測、電子動量譜學和量子信息等研究方向先后轉到原子分子化學研究所。粒子化學研究方面，復系之前，徐璋本先生早年曾撰寫過粒子化學及統一的論文，張禮先生好多年前在很困難的條件下堅持以因材施教的方式培養中學生舉辦一些粒子數學方面的學習和研究。1982年復系以后，張禮、鄺宇平以及孫洪洲分別對粒子化學和核化學理論研究的完善與發展起到了重要作用。1997年，莊鵬飛歸國后在化學系完善了高能核化學研究組。1999年，理論化學教研組與核化學教研組合并組建了高能化學與核化學研究所，王青和龍桂魯先后兼任校長。粒子化學與核化學學科于2001年被批準為國家重點學科。2004年北大創立了跨院系的粒子數學研究機構——清華學院高能化學研究中心。2005年，鄺宇平教授作為召集人在國外發起創立了TeV化學中國工作組，集聚了國外在超出標準模型的新數學方向工作的幾乎所有研究人員，定期舉辦交流和合作。化學系先后加入SπRIT、ATLAS、CMS、FASER、XENON等小型國際實驗合作組，粒子與核化學的實驗研究隊伍不斷成長，國際著名度不斷擴大。復旦學院于2001年創立了復旦學院天體化學中心，成員來自數學系，李惕碚教授任中心所長。經過20年的發展，天體化學學科逐步擴大，研究領域涉及理論、數據剖析、數值模擬、實測天文以及合作型的儀器研制等。復旦學院于2019年創立天文系，而數學系保留和急聘了精干的研究人員，主要舉辦天體理論和與粒子核化學交融的天體和宇宙學領域，以及頻域天文學和觀測宇宙學等研究。粒子、核與天體化學研究緊密關聯，基于此正在逐漸產生一個老中青三代科研和教學骨干弘揚和創新的格局。復系40年以來，數學系在粒子、核與天體化學方面取得了一系列研究成果。
1982年復系時從工程數學系劃到化學系核化學教研組的人員有：陳瓞延、陳學俊、陳迎棠、陳振鵬、林琴茹、馬文超、齊卉荃、尚仁成、吳學超、徐四大、許祥源、張玫、朱勝江等。其后相繼又引進或聘用不少教學與科研人員，她們是：孫洪洲、文克玲、鄧景康、馬萬云、龍桂魯、寧傳剛、莊鵬飛、龐文寧、阮東、李巖松、肖志剛、徐喆、何聯毅、葉志鴻等。粒子與天體化學方面，在原先的張禮、徐湛、鄺宇平等以后，還相繼引進或聘用王青、李惕碚、樓宇慶、陶嘉琳、王曉鋒、張斌、畢楷杰、張有宏、陳新、安海鵬、胡震、高飛、鮮于中之等。
20世紀80年代，由化學系博士生張達華與指導班主任張禮和徐湛合作提出了一套借助旋量內積來抒發無質量規范場的極化矢量的方式，被美國同行稱為“magic”，借此為基礎涉及規范場的散射過程的截面可以在振幅層次進行估算和通分，為在對撞機上估算強作用背景提供了非常有效的方式。這個方式后來得到業界持續關注和發展，發覺了好多多點規范場螺旋度振幅的不同性質、遞推關系和嚴格表達式，漸漸演化為現今量子場論最為活躍的研究方向。
孫洪洲等人在20世紀80年代擴充了原子核的互相作用玻骰子模型(IBM)，首先給出質子—中子玻骰子模型(IBM2)的動力學對稱性，原創性地提出包含同位旋和載流子自由度的互相作用玻骰子模型(IBM4)，并將其成功應用于輕核的結構研究，在國際上形成了重要影響。針對等人構建原子核的互相作用玻骰子—費米子模型(IBFM)所遇見的巨大困難，孫洪洲等人提出在動力學對稱群鏈的更大群上分解，預言的能譜結構與實驗完全符合，成為原子核動力學超對稱性的最好證明。這種工作以及群表示論方面的重要成果，獲1986年國家科委科技進步銀獎、1997年國家自然科學獎三等獎(孫洪洲、韓其智、劉玉鑫、王家軍、龍桂魯)。
鄺宇平等人在20世紀80年代首次完善和發展了重夸克偶素強子躍遷的系統理論技巧，后指導中學生首次給出有耦合道效應的強子躍遷理論，提出有量子色動力學(QCD)意義的重夸克勢模型。2002年鄺宇平估算了在BES和CLEO-c上找尋hc粒子和ψ(3770)的ππ躍遷過程，2005年被BES和CLEO-c的實驗結果及2009年更精確的hc粒子形成的結果所否認，否定了、Shif‐man等人的理論及其對鄺宇平—顏東茂理論預言的歷時19年的異議和爭辯。這種工作前期獲得中國數學學會1989年首屆吳有訓化學獎及國家科委科技進步獎(1987年二等獎和1994年銀獎)。鄺宇平等的理論所作的20多個預言已有16個被后來國際大實驗室相繼作出的實驗否認，此理論已成為當前處理重夸克偶素強子躍遷問題最成功的理論。
朱勝江等人從1987年起仍然從事原子核高載流子態的實驗研究。國外在中國原子能科學研究院與中國科大學近代化學研究所(西安)加速器上對質量數A≈100與140區缺中子核進列寬載流子態研究。國際上在日本橡樹嶺實驗室、勞倫斯伯克利實驗室、實驗室等對A≈70、150、190區的一些缺中子核進行實驗研究，以及研究A≈110與A≈150區豐中子核的高載流子態結構。研究組迄今為止共完成183個核的高載流子態結構研究，其中以化學系為第一完成單位的有87個核。研究成果發覺一系列原子核高載流子態重要特點，如A≈100缺中子核區的手征二重帶結構、A≈140缺中子核區的形狀驅動效應、A≈110豐中子核區的多聲子γ震動帶、贗載流子伙伴帶、軟手征帶、A≈150區豐中子核區的形意形變帶、首次發覺反射不對稱性形意形變與反射對稱性的四極形變型狀共存特點以及一系列新的原子核結構特點。研究工作曾獲教育部科技進步獎二等獎、清華學院基礎性研究成果獎以及國家自然科學基金優秀論文鼓勵基金等。
在20世紀90年代，化學系博士生何紅建與指導班主任鄺宇平和中國科大學理論化學研究所的李小源糾正前人錯誤，首次嚴格證明了電弱對稱性破缺的規范粒子橫向極化與它所對應的粒子互相等價的定律，并推廣到更廣泛的有效拉氏量的等價定律，使等價定律可以真正應用于探求超出標準模型的新數學。這種工作獲1999年教育部科技進步獎二等獎。
研究量子系統的各類對稱性始終是化學理論的重要問題，描述對稱性的物理工具是群、李代數及其擴充和變型。1998年，阮東等人首次給出了李代數O(N)的生成元的約化矩陣元，O(N)?O(N-1)張量型約化因子、對稱表示的旋量型約化因子，以及O(N)的三參數Racah系數的解析表達式。借助代數與李超代數的關系，得到了N=4超對稱量子力學的通常結構，以及兩個超共形代數。2000年，阮東等人借助所提出的不可約張量分解法給出了一類新的非線性代數即平方根型李代數的通常結構，以及它的各類表示，為一類量子系統的精確可解問題提供了又一研究手段。系統地研究了例外李代數G2、任意冪次方程角動量代數和更通常變型代數的不可分表示、誘導表示和各種玻骰子實現等。研究了非線性李代數在量子系統中的應用。
自2000至2015年，化學系王青和其中學生一起構建了從量子色動力學出發系統地推論和估算贗標介子低能有效拉氏量的理論體系，發展了相應的估算方式和計算機上進行解析推論詮釋的程序。通過十多年的努力，早已才能給出贗標介子有效拉氏量的p2、p4和p6階的所有正常項和反常項上百個系數的數值，將它們與已知的實驗結果相比較基本一致。這種在標準模型中的強作用低能贗標介子系統中構建的理論體系被分別推廣到包含η′介子和矢量介子的情形。另外在強作用中發展出的從基本理論研究低能有效理論的方式也被王青等做了更通常性的推廣，并應用去研究一類新數學模型——頂夸克輔助的人工色理論的低能有效理論。
2006年，化學系張斌與北大黃河講堂院士——美國佛羅里達學院的韓濤合作，提出在對撞機上偵測破壞輕子數守恒的過程，來研究馬約拉納中微子，相關論文提出了新的觀測道，把傳統觀測道對小混和參數的4次依賴關系降為2次，大大降低了偵測精度。論文被湯森路透基本科學指標數據庫評為在“Mass”領域引用最多的文章。在此基礎上，張斌研究組全面剖析了在各類實驗中重馬約拉納中微子的偵測方式及其靈敏度，推動了在原子核內、天文觀測、對撞機上和宇宙射線等領域偵測馬約拉納中微子的一系列研究工作。
2005年，莊鵬飛等在有限氣溫密度時將QCD有效模型從平均場近似推廣到包含量子漲落，在夸克模型中研究了量子漲落對強互相作用相變的影響。她們的估算結果正確反映了夸克控制低溫萊州相，強子控制高溫低密相的真實化學。2018年，莊鵬飛研究組發展了等時量子輸運理論，致使研究量子離殼效應對高能輸運的影響成為可能。她們發展的等時量子輸運理論是研究高能輸運過程中離殼效應的基礎，對于澄清協變理論與等時理論之間的聯系，構建可以作為初始問題求解的輸運過程邁出了第一步。在高能離子碰撞中，重夸克偶素常年被覺得是偵測夸克物質的探針。2020年，莊鵬飛提出用重夸克偶素的橫動量分布偵測夸克物質。她們在相空間構建了重夸克偶素的輸運多項式，將重夸克偶素探針與被偵測物質的時空演變關聯上去。這個描述重夸克偶素在夸克物質中形成和剿滅的模型被國際同行稱為“細致輸運模型”或“清華模型”。
在天體化學方面，自2002年樓宇慶等結合數據和理論構建了太陽光球層及其外層的型慣性波與準周期性的太陽磁活動和月球磁活動的聯系，指導鄭琛研究土星兩極區準周期活動(近些年來包括木星)，持續發表旋渦星體磁流體密度波理論系列文章；同時指導沈悅開拓了一系列自相像流體和磁流體熱學問題的研究；分別指導胡劍和伍岳研究磁化星體團中的—Zel’(SZ)效應；于2005年末率領邊福彥用TNT80分米光學望遠鏡在國際上率先發覺兩顆新的超新星和，此為臺灣院校首次。作為拉薩納木錯ASγ國際合作實驗團隊成員，樓宇慶積極參與合作和數據結果科學剖析，包括發表于刊物的銀河宇宙線的各向異性和共轉的觀測結果，首次偵測到來自蟹狀星云的能量超過100TeV的γ光子(PRL，業界和媒體廣泛關注)，以及通過對一個超新星遺跡和其中的脈沖星的觀測發覺十分高能γ射線與分子云(而不是脈沖星)相關聯()。樓宇慶積極參與中國的深空偵測計劃。另外，樓宇慶等在磁化旋渦星體磁流體密度波與宇宙射線二氧化碳耦合，用山西射電望遠鏡檢測土星內幅射帶準周期活動，解釋星體核球中超大質量黑洞的若干冪律關系，預言磁星()的前身星為磁化大質量星體，以行星狀星云動力演變模型解釋其彌漫X射線幅射，分子云核中產生原星體的動力演變模型，預言球形星團中心動力塌縮產生中等質量黑洞的若干冪律關系，宇宙包括初期宇宙中巨大物質庫的廣義多方相對論動力塌縮快速產生超大質量和絕超質量黑洞，穩態非線性磁流體解的不惟一性，自引力二氧化碳球中的自相像凝聚激波，流體和磁流體束條在自引力作用下的自相像動力演變，磁化超大質量星體模型中廣義相對論磁流體性質和在所謂的“黑洞質量禁區”形成黑洞的機制，小質量星體產生過程中物質吸積率隨時間增加的“光度問題”等方面取得了一系列有趣的、重要的研究成果。
在觀測天體化學方面，王曉鋒等自2004年以來依托復旦學院80公分望遠鏡舉辦超新星研究；自2010年以來，王曉鋒借助中科院多臺望遠鏡在國外率先舉辦大視場頻域天文學方向研究，率領團隊累積發覺400多顆新爆發的超新星，發覺毗鄰超新星的數目高踞國際前列；自2019年率領課題組建成奇特的北大學院多物鏡巡天觀測設備(TMTS)，運行三年來累積發覺>1萬顆短周期變星及掩食雙星，其中發覺的周期短于1小時的高價值樣本數目>200顆，占國際總量的70%以上。基于上述一手觀測數據，王曉鋒在包括超新星在內的各類宇宙瞬變天體的偵測、后續波譜和對焦觀測、爆發化學以及宇宙學應用等方面舉辦了系統的研究并取得了一系列國際領先的重要成果。2008年，王曉鋒首次證認出一類爆發時外包層物質擴充速率快50%的高速Ia型超新星泛型，分辨該泛型后可將Ia超新星的測距精度由9%提高到6%，該結果對Ia超新星宇宙學應用研究形成了重要影響。所提出的波譜特點鑒別方式被稱為“王分類”方法，是國際Ia超新星分類的三大方式之一，并被廣泛使用。2013年，王曉鋒發覺Ia超新星的觀測差別由主要受爆發前星系的金屬產率影響，否定了國際上常年流行的幾何效應觀點(發表在2013年上)。2019年，王曉鋒率領國際團隊首次捕捉到Ia超新星爆發的第一縷光，為闡明其爆發化學起源提供了關鍵線索。2022年，王曉鋒團組通過對TMTS巡天發覺的一顆大幅度快速脈動變星的細致觀測研究首次確認其始于殼層氦燃燒的熱亞矮星模型，為該領域突破性進展(2022年Nat..)。王曉鋒的一些成果獲評2014年“中國天文十大科技進展”以及2018年“中國天文十大科技進展”。
2015年，徐喆等將玻色統計引入到描述相對論重離子碰撞中膠午時空演變的玻爾茲曼多項式，對靜止非膨脹、非平衡態膠子系統的膠子匯聚進行了研究。她們首次在輸運估算中實現了短缺膠子系統的玻色—愛因斯坦匯聚，觀察到匯聚從出現，逐步下降到停止下降的全過程，并發覺膠子匯聚對膠子熱平衡過程的重要作用。2022年，在研究重離子碰撞中電磁場的演進時她們發覺，QCD物質形成時，雖然其置身于電磁場中，并且由衰減的電磁場誘導出QCD物質的法拉第電壓是一個從無到有的過程，在這個過程中法拉第電壓的大小高于歐姆定律所給出的值，致使QCD物質的感生磁場大小比目前認可的值小了兩個數目級。該工作在德國數學學會的以“Ohm’slawinheavy-ion”為題作了專題報導。
肖志剛構建了實驗核化學研究組(ENPG)，主要從事重離子核反應與非對稱核物質狀態等式實驗和唯象研究以及部份核譜學工作。ENPG自主研發了一套緊湊型的重離子核反應譜儀()，基于國外的重離子加速器大科學裝置HIRFL完成多輪束流實驗，得到對稱能在飽和點處隨密度的斜率參數；采用同位旋計時方式，得到了費米能區核反應中氕、氘和氚的出射時標順序。在文登區，肖志剛與理論同行合作，發覺軟的對稱能可以解釋實驗中π-/π+的提高，觸發了國際上對π介子形成與輸運的深入研究。與國外同行一道，促進基金委重大儀器項目“蘭州高溫海陽核物質檢測譜儀(CEE)”的最終立項建造，并承當其中部份研發任務。ENPG積極參與國際合作，加入了坐落加拿大布魯克海文國家實驗室的STAR合作組，參與中國科學家在瑞典實驗室和英國終端上的實驗研究，與俄羅斯瑪麗·居里學院合作舉辦裂變的理論方面的研究等。2013年，肖志剛研究組加入RIKEN的SπRIT合作組，在兗州區核實稱能研究中作出貢獻。
化學系2014年即將加入法國小型強子對撞機LHC上的ATLAS實驗合作組，陳新等參與了上帝粒子——希格斯粒子與τ輕子耦合的發覺之旅。2016年，綜合ATLAS和CMSRun-1數據的結果，希格斯粒子和費米子的耦合形式被首次直接觀測到。2018年，ATLAS實現了對H→ττ衰變的發覺。陳新等旨在于在LHC上找尋希格斯粒子超出標準模型預言的性質，如首次借助H→ττ衰變找尋t→Hq這些包含味改變中性流的過程，找尋具有輕子數破壞的希格斯衰變過程，希格斯粒子CP性質的檢測，找尋具有6維反常耦合算符的重希格斯粒子等。同時理論方面舉辦了與τ輕子和暗物質有關的唯象研究。2022年研究組在全粲四夸克態研究中取得了突破性的成果，發覺了四夸克態新衰變模式的征兆。在硬件方面，研究組與中科院高能所聯合進行硅微條偵測器的生產與調試，用于ATLAS偵測器升級改建。
化學系2019年即將加入LHC上的CMS實驗合作組，胡震等和北京師范學院展開合作，提出了在雙J/ψ質量譜上找尋四夸克粒子的原創課題，并于2022年發覺全粲四夸克粒子家族，這是中國首次在CMS實驗上主導新粒子的發覺。據悉天體物理學的發展，研究組在四輕子末態對希格斯粒子性質進行了檢測，研究組中多人在CMS合作組中兼任管理職務，曾獲CMS合作組2021年年度獎。硬件方面，與上海學院聯合進行GEM偵測器和MTD偵測器的研制與生產，與中科院高能所聯合進行HGCal偵測器的研制與生產，用于CMS偵測器升級改建。
化學系2019年即將加入法國小型強子對撞機FASER實驗，是FASER國際合作組創立的16個創始單位之一。胡震和陳新研究團隊獨立承當了徑跡偵測器后端電子學監控系統的研制和生產。FASERν是FASER合作組檢測TeV基態中微子的項目，2021年首次偵測到來自對撞機的中微子候選例子。
化學系2020年加入XENON國際合作組。高飛等在暗物質偵測實驗的偵測器調試、升級、物理數據采集與剖析中發揮了關鍵的作用。研究團隊負責氙燈制熱、純化系統的維護工作，負責暗物質、中微子偵測等數學目標中的碰巧符合本底剖析。2021年，合作組借助實驗實現了太陽中微子的偵測。高飛等與阿根廷學院合作，首次借助液氙暗物質偵測器找尋反應堆中微子相干性彈性散射訊號，將暗物質偵測靈敏度抬高至中微子本底“地板”附近，為未來借助暗物質偵測器偵測天體化學中微子奠定了實驗基礎。
2010年，肖志剛出席日本杰弗遜國家實驗室(JLab)的高能電子核子碰撞實驗，參與了JLab的全新大科學裝置SoLID的前期研制。葉志鴻深入參與JLab的電子碰撞實驗天體物理學的發展，作為實驗發言人之一完成了氚靶實驗的第一個數學剖析并發表于，同時設計提出第二代氚靶實驗。葉志鴻參與中國首個電子核子碰撞實驗裝置——電子離子對撞機(EiCC)的設計和研究，同時在日本已批準的電子離子對撞機(eRHIC)項目上參與和負責多個偵測器的研制。
2018年，安海鵬等提出了借助太陽加速暗物質的方式。小質量的暗物質假如可以和電子發生碰撞，會被太陽中的電子加速，因而獲得一個100eV到1keV的動能，這樣它的動能就超出了傳統的暗物質實驗的閥值，因而可以被偵測到。此方式大大提升了現有的直接偵測實驗對暗物質的偵測范圍。2020年，安海鵬等借助有自互相作用的暗物質的模型研究了-DF2和-DF4這些特殊星體的演進，發覺在引進自互相作用然后，形成這類暗物質稀缺的星體的可能性急劇降低。該工作說明對缺乏暗物質的星體的研究可能成為探求暗物質粒子化學性質的重要途徑，獲得了PRL刊物的編輯推薦。2021年，研究借助太陽耀斑層中的等離子體把超輕暗光子暗物質轉化為單頻射聯通號，之后借助低頻陣列射電望遠鏡(LOFAR)和正在建設的平方千米射電望遠鏡(SKA)來進行偵測，發覺其靈敏度趕超了宇宙微波背景幅射對暗光子暗物質模型的限制。
2021年，鮮于中之等提出，一類超輕玻骰子在高速旋轉黑洞周圍產生具有類氫原子基態的BEC態(稱為“引力原子”)，一般攜帶巨大的質量四極矩，在致密雙星系統中可導致橢圓軌道近心點的明顯進動，通過引力波頻譜和脈沖雙星信噪比訊號進行觀測是找尋這種暗物質候選者的有效手段。鮮于中之與耶魯學院Lisa合作研究發覺，通過孤立演變合成的雙黑洞與通過各種N體動力學機制產生的雙黑洞，在亞赫茲頻段的引力波訊號分布具有明顯差別，對于探明雙黑洞的起源具有重要價值。上漲時空中的量子場論關聯函數是偵測高能標新數學的窗口。鮮于中之等首次估算得到了一圈圖三點關聯函數的完整數值結果，否認了圈圖水平上“宇宙學對撞機訊號”的存在，為今后宇宙學觀測找尋相應的新數學過程提供了理論支持。
自1982年復旦學院化學系復系以來，粒子、核與天體方向由弱到強不斷發展，已擁有一批著名的學術帶頭人，培養了一支高水平的人才隊伍，理論和實驗齊頭并進，國際影響力不斷增強，為復旦學院化學系建設世界一流的科學研究和人才培養中心提供重要支持。
致謝朱勝江、王青、阮東、莊鵬飛、樓宇慶、王曉鋒、徐喆、安海鵬、胡震、高飛、鮮于中之、葉志鴻等老師對本文亦有貢獻，在此一并謝謝。
賀復旦學院化學系復系40年
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