(复旦学院化学系粒子化学核化学天体化学研究所)
本文选自《物理》2022年第8期
复旦学院化学系于1982年复系，至今已有40年。化学系复系时，从工程化学系转过来一批班主任，组成化学系二部的几个教研组，包括理论化学、固体化学(后改为汇聚态化学)、核化学、原子分子化学教研组等。1999年，教研组改成研究所。复系以后的核化学教研组承继和发展了若干相关研究方向，包括石油物探、激光核素分离、单原子侦测、原子核高载流子态、电子动量谱学以及量子信息等。其上单原子侦测、电子动量谱学和量子信息等研究方向先后转到原子分子化学研究所。粒子化学研究方面，复系之前，徐璋本先生早年曾撰写过粒子化学及统一的论文，张礼先生好多年前在很困难的条件下坚持以因材施教的方式培养中学生举办一些粒子数学方面的学习和研究。1982年复系以后，张礼、邝宇平以及孙洪洲分别对粒子化学和核化学理论研究的完善与发展起到了重要作用。1997年，庄鹏飞归国后在化学系完善了高能核化学研究组。1999年，理论化学教研组与核化学教研组合并组建了高能化学与核化学研究所，王青和龙桂鲁先后兼任校长。粒子化学与核化学学科于2001年被批准为国家重点学科。2004年北大创立了跨院系的粒子数学研究机构——清华学院高能化学研究中心。2005年，邝宇平教授作为召集人在国外发起创立了TeV化学中国工作组，集聚了国外在超出标准模型的新数学方向工作的几乎所有研究人员，定期举办交流和合作。化学系先后加入SπRIT、ATLAS、CMS、FASER、XENON等小型国际实验合作组，粒子与核化学的实验研究队伍不断成长，国际著名度不断扩大。复旦学院于2001年创立了复旦学院天体化学中心，成员来自数学系，李惕碚教授任中心所长。经过20年的发展，天体化学学科逐步扩大，研究领域涉及理论、数据剖析、数值模拟、实测天文以及合作型的仪器研制等。复旦学院于2019年创立天文系，而数学系保留和急聘了精干的研究人员，主要举办天体理论和与粒子核化学交融的天体和宇宙学领域，以及频域天文学和观测宇宙学等研究。粒子、核与天体化学研究紧密关联，基于此正在逐渐产生一个老中青三代科研和教学骨干弘扬和创新的格局。复系40年以来，数学系在粒子、核与天体化学方面取得了一系列研究成果。
1982年复系时从工程数学系划到化学系核化学教研组的人员有：陈瓞延、陈学俊、陈迎棠、陈振鹏、林琴茹、马文超、齐卉荃、尚仁成、吴学超、徐四大、许祥源、张玫、朱胜江等。其后相继又引进或聘用不少教学与科研人员，她们是：孙洪洲、文克玲、邓景康、马万云、龙桂鲁、宁传刚、庄鹏飞、庞文宁、阮东、李岩松、肖志刚、徐喆、何联毅、叶志鸿等。粒子与天体化学方面，在原先的张礼、徐湛、邝宇平等以后，还相继引进或聘用王青、李惕碚、楼宇庆、陶嘉琳、王晓锋、张斌、毕楷杰、张有宏、陈新、安海鹏、胡震、高飞、鲜于中之等。
20世纪80年代，由化学系博士生张达华与指导班主任张礼和徐湛合作提出了一套借助旋量内积来抒发无质量规范场的极化矢量的方式，被美国同行称为“magic”，借此为基础涉及规范场的散射过程的截面可以在振幅层次进行估算和通分，为在对撞机上估算强作用背景提供了非常有效的方式。这个方式后来得到业界持续关注和发展，发觉了好多多点规范场螺旋度振幅的不同性质、递推关系和严格表达式，渐渐演化为现今量子场论最为活跃的研究方向。
孙洪洲等人在20世纪80年代扩充了原子核的互相作用玻骰子模型(IBM)，首先给出质子—中子玻骰子模型(IBM2)的动力学对称性，原创性地提出包含同位旋和载流子自由度的互相作用玻骰子模型(IBM4)，并将其成功应用于轻核的结构研究，在国际上形成了重要影响。针对等人构建原子核的互相作用玻骰子—费米子模型(IBFM)所遇见的巨大困难，孙洪洲等人提出在动力学对称群链的更大群上分解，预言的能谱结构与实验完全符合，成为原子核动力学超对称性的最好证明。这种工作以及群表示论方面的重要成果，获1986年国家科委科技进步银奖、1997年国家自然科学奖三等奖(孙洪洲、韩其智、刘玉鑫、王家军、龙桂鲁)。
邝宇平等人在20世纪80年代首次完善和发展了重夸克偶素强子跃迁的系统理论技巧，后指导中学生首次给出有耦合道效应的强子跃迁理论，提出有量子色动力学(QCD)意义的重夸克势模型。2002年邝宇平估算了在BES和CLEO-c上找寻hc粒子和ψ(3770)的ππ跃迁过程，2005年被BES和CLEO-c的实验结果及2009年更精确的hc粒子形成的结果所否认，否定了、Shif‐man等人的理论及其对邝宇平—颜东茂理论预言的历时19年的异议和争辩。这种工作前期获得中国数学学会1989年首届吴有训化学奖及国家科委科技进步奖(1987年二等奖和1994年银奖)。邝宇平等的理论所作的20多个预言已有16个被后来国际大实验室相继作出的实验否认，此理论已成为当前处理重夸克偶素强子跃迁问题最成功的理论。
朱胜江等人从1987年起仍然从事原子核高载流子态的实验研究。国外在中国原子能科学研究院与中国科大学近代化学研究所(西安)加速器上对质量数A≈100与140区缺中子核进列宽载流子态研究。国际上在日本橡树岭实验室、劳伦斯伯克利实验室、实验室等对A≈70、150、190区的一些缺中子核进行实验研究，以及研究A≈110与A≈150区丰中子核的高载流子态结构。研究组迄今为止共完成183个核的高载流子态结构研究，其中以化学系为第一完成单位的有87个核。研究成果发觉一系列原子核高载流子态重要特点，如A≈100缺中子核区的手征二重带结构、A≈140缺中子核区的形状驱动效应、A≈110丰中子核区的多声子γ震动带、赝载流子伙伴带、软手征带、A≈150区丰中子核区的形意形变带、首次发觉反射不对称性形意形变与反射对称性的四极形变型状共存特点以及一系列新的原子核结构特点。研究工作曾获教育部科技进步奖二等奖、清华学院基础性研究成果奖以及国家自然科学基金优秀论文鼓励基金等。
在20世纪90年代，化学系博士生何红建与指导班主任邝宇平和中国科大学理论化学研究所的李小源纠正前人错误，首次严格证明了电弱对称性破缺的规范粒子横向极化与它所对应的粒子互相等价的定律，并推广到更广泛的有效拉氏量的等价定律，使等价定律可以真正应用于探求超出标准模型的新数学。这种工作获1999年教育部科技进步奖二等奖。
研究量子系统的各类对称性始终是化学理论的重要问题，描述对称性的物理工具是群、李代数及其扩充和变型。1998年，阮东等人首次给出了李代数O(N)的生成元的约化矩阵元，O(N)⊃O(N-1)张量型约化因子、对称表示的旋量型约化因子，以及O(N)的三参数Racah系数的解析表达式。借助代数与李超代数的关系，得到了N=4超对称量子力学的通常结构，以及两个超共形代数。2000年，阮东等人借助所提出的不可约张量分解法给出了一类新的非线性代数即平方根型李代数的通常结构，以及它的各类表示，为一类量子系统的精确可解问题提供了又一研究手段。系统地研究了例外李代数G2、任意幂次方程角动量代数和更通常变型代数的不可分表示、诱导表示和各种玻骰子实现等。研究了非线性李代数在量子系统中的应用。
自2000至2015年，化学系王青和其中学生一起构建了从量子色动力学出发系统地推论和估算赝标介子低能有效拉氏量的理论体系，发展了相应的估算方式和计算机上进行解析推论诠释的程序。通过十多年的努力，早已才能给出赝标介子有效拉氏量的p2、p4和p6阶的所有正常项和反常项上百个系数的数值，将它们与已知的实验结果相比较基本一致。这种在标准模型中的强作用低能赝标介子系统中构建的理论体系被分别推广到包含η′介子和矢量介子的情形。另外在强作用中发展出的从基本理论研究低能有效理论的方式也被王青等做了更通常性的推广，并应用去研究一类新数学模型——顶夸克辅助的人工色理论的低能有效理论。
2006年，化学系张斌与北大黄河讲堂院士——美国佛罗里达学院的韩涛合作，提出在对撞机上侦测破坏轻子数守恒的过程，来研究马约拉纳中微子，相关论文提出了新的观测道，把传统观测道对小混和参数的4次依赖关系降为2次，大大降低了侦测精度。论文被汤森路透基本科学指标数据库评为在“Mass”领域引用最多的文章。在此基础上，张斌研究组全面剖析了在各类实验中重马约拉纳中微子的侦测方式及其灵敏度，推动了在原子核内、天文观测、对撞机上和宇宙射线等领域侦测马约拉纳中微子的一系列研究工作。
2005年，庄鹏飞等在有限气温密度时将QCD有效模型从平均场近似推广到包含量子涨落，在夸克模型中研究了量子涨落对强互相作用相变的影响。她们的估算结果正确反映了夸克控制低温莱州相，强子控制高温低密相的真实化学。2018年，庄鹏飞研究组发展了等时量子输运理论，致使研究量子离壳效应对高能输运的影响成为可能。她们发展的等时量子输运理论是研究高能输运过程中离壳效应的基础，对于澄清协变理论与等时理论之间的联系，构建可以作为初始问题求解的输运过程迈出了第一步。在高能离子碰撞中，重夸克偶素常年被觉得是侦测夸克物质的探针。2020年，庄鹏飞提出用重夸克偶素的横动量分布侦测夸克物质。她们在相空间构建了重夸克偶素的输运多项式，将重夸克偶素探针与被侦测物质的时空演变关联上去。这个描述重夸克偶素在夸克物质中形成和剿灭的模型被国际同行称为“细致输运模型”或“清华模型”。
在天体化学方面，自2002年楼宇庆等结合数据和理论构建了太阳光球层及其外层的型惯性波与准周期性的太阳磁活动和月球磁活动的联系，指导郑琛研究土星两极区准周期活动(近些年来包括木星)，持续发表旋涡星体磁流体密度波理论系列文章；同时指导沈悦开拓了一系列自相像流体和磁流体热学问题的研究；分别指导胡剑和伍岳研究磁化星体团中的—Zel’(SZ)效应；于2005年末率领边福彦用TNT80分米光学望远镜在国际上率先发觉两颗新的超新星和，此为台湾院校首次。作为拉萨纳木错ASγ国际合作实验团队成员，楼宇庆积极参与合作和数据结果科学剖析，包括发表于刊物的银河宇宙线的各向异性和共转的观测结果，首次侦测到来自蟹状星云的能量超过100TeV的γ光子(PRL，业界和媒体广泛关注)，以及通过对一个超新星遗迹和其中的脉冲星的观测发觉十分高能γ射线与分子云(而不是脉冲星)相关联()。楼宇庆积极参与中国的深空侦测计划。另外，楼宇庆等在磁化旋涡星体磁流体密度波与宇宙射线二氧化碳耦合，用山西射电望远镜检测土星内幅射带准周期活动，解释星体核球中超大质量黑洞的若干幂律关系，预言磁星()的前身星为磁化大质量星体，以行星状星云动力演变模型解释其弥漫X射线幅射，分子云核中产生原星体的动力演变模型，预言球形星团中心动力塌缩产生中等质量黑洞的若干幂律关系，宇宙包括初期宇宙中巨大物质库的广义多方相对论动力塌缩快速产生超大质量和绝超质量黑洞，稳态非线性磁流体解的不惟一性，自引力二氧化碳球中的自相像凝聚激波，流体和磁流体束条在自引力作用下的自相像动力演变，磁化超大质量星体模型中广义相对论磁流体性质和在所谓的“黑洞质量禁区”形成黑洞的机制，小质量星体产生过程中物质吸积率随时间增加的“光度问题”等方面取得了一系列有趣的、重要的研究成果。
在观测天体化学方面，王晓锋等自2004年以来依托复旦学院80公分望远镜举办超新星研究；自2010年以来，王晓锋借助中科院多台望远镜在国外率先举办大视场频域天文学方向研究，率领团队累积发觉400多颗新爆发的超新星，发觉毗邻超新星的数目高踞国际前列；自2019年率领课题组建成奇特的北大学院多物镜巡天观测设备(TMTS)，运行三年来累积发觉>1万颗短周期变星及掩食双星，其中发觉的周期短于1小时的高价值样本数目>200颗，占国际总量的70%以上。基于上述一手观测数据，王晓锋在包括超新星在内的各类宇宙瞬变天体的侦测、后续波谱和对焦观测、爆发化学以及宇宙学应用等方面举办了系统的研究并取得了一系列国际领先的重要成果。2008年，王晓锋首次证认出一类爆发时外包层物质扩充速率快50%的高速Ia型超新星泛型，分辨该泛型后可将Ia超新星的测距精度由9%提高到6%，该结果对Ia超新星宇宙学应用研究形成了重要影响。所提出的波谱特点鉴别方式被称为“王分类”方法，是国际Ia超新星分类的三大方式之一，并被广泛使用。2013年，王晓锋发觉Ia超新星的观测差别由主要受爆发前星系的金属产率影响，否定了国际上常年流行的几何效应观点(发表在2013年上)。2019年，王晓锋率领国际团队首次捕捉到Ia超新星爆发的第一缕光，为阐明其爆发化学起源提供了关键线索。2022年，王晓锋团组通过对TMTS巡天发觉的一颗大幅度快速脉动变星的细致观测研究首次确认其始于壳层氦燃烧的热亚矮星模型，为该领域突破性进展(2022年Nat..)。王晓锋的一些成果获评2014年“中国天文十大科技进展”以及2018年“中国天文十大科技进展”。
2015年，徐喆等将玻色统计引入到描述相对论重离子碰撞中胶午时空演变的玻尔兹曼多项式，对静止非膨胀、非平衡态胶子系统的胶子汇聚进行了研究。她们首次在输运估算中实现了短缺胶子系统的玻色—爱因斯坦汇聚，观察到汇聚从出现，逐步下降到停止下降的全过程，并发觉胶子汇聚对胶子热平衡过程的重要作用。2022年，在研究重离子碰撞中电磁场的演进时她们发觉，QCD物质形成时，虽然其置身于电磁场中，并且由衰减的电磁场诱导出QCD物质的法拉第电压是一个从无到有的过程，在这个过程中法拉第电压的大小高于欧姆定律所给出的值，致使QCD物质的感生磁场大小比目前认可的值小了两个数目级。该工作在德国数学学会的以“Ohm’slawinheavy-ion”为题作了专题报导。
肖志刚构建了实验核化学研究组(ENPG)，主要从事重离子核反应与非对称核物质状态等式实验和唯象研究以及部份核谱学工作。ENPG自主研发了一套紧凑型的重离子核反应谱仪()，基于国外的重离子加速器大科学装置HIRFL完成多轮束流实验，得到对称能在饱和点处随密度的斜率参数；采用同位旋计时方式，得到了费米能区核反应中氕、氘和氚的出射时标顺序。在文登区，肖志刚与理论同行合作，发觉软的对称能可以解释实验中π-/π+的提高，触发了国际上对π介子形成与输运的深入研究。与国外同行一道，促进基金委重大仪器项目“兰州高温海阳核物质检测谱仪(CEE)”的最终立项建造，并承当其中部份研发任务。ENPG积极参与国际合作，加入了坐落加拿大布鲁克海文国家实验室的STAR合作组，参与中国科学家在瑞典实验室和英国终端上的实验研究，与俄罗斯玛丽·居里学院合作举办裂变的理论方面的研究等。2013年，肖志刚研究组加入RIKEN的SπRIT合作组，在兖州区核实称能研究中作出贡献。
化学系2014年即将加入法国小型强子对撞机LHC上的ATLAS实验合作组，陈新等参与了上帝粒子——希格斯粒子与τ轻子耦合的发觉之旅。2016年，综合ATLAS和CMSRun-1数据的结果，希格斯粒子和费米子的耦合形式被首次直接观测到。2018年，ATLAS实现了对H→ττ衰变的发觉。陈新等旨在于在LHC上找寻希格斯粒子超出标准模型预言的性质，如首次借助H→ττ衰变找寻t→Hq这些包含味改变中性流的过程，找寻具有轻子数破坏的希格斯衰变过程，希格斯粒子CP性质的检测，找寻具有6维反常耦合算符的重希格斯粒子等。同时理论方面举办了与τ轻子和暗物质有关的唯象研究。2022年研究组在全粲四夸克态研究中取得了突破性的成果，发觉了四夸克态新衰变模式的征兆。在硬件方面，研究组与中科院高能所联合进行硅微条侦测器的生产与调试，用于ATLAS侦测器升级改建。
化学系2019年即将加入LHC上的CMS实验合作组，胡震等和北京师范学院展开合作，提出了在双J/ψ质量谱上找寻四夸克粒子的原创课题，并于2022年发觉全粲四夸克粒子家族，这是中国首次在CMS实验上主导新粒子的发觉。据悉天体物理学的发展，研究组在四轻子末态对希格斯粒子性质进行了检测，研究组中多人在CMS合作组中兼任管理职务，曾获CMS合作组2021年年度奖。硬件方面，与上海学院联合进行GEM侦测器和MTD侦测器的研制与生产，与中科院高能所联合进行HGCal侦测器的研制与生产，用于CMS侦测器升级改建。
化学系2019年即将加入法国小型强子对撞机FASER实验，是FASER国际合作组创立的16个创始单位之一。胡震和陈新研究团队独立承当了径迹侦测器后端电子学监控系统的研制和生产。FASERν是FASER合作组检测TeV基态中微子的项目，2021年首次侦测到来自对撞机的中微子候选例子。
化学系2020年加入XENON国际合作组。高飞等在暗物质侦测实验的侦测器调试、升级、物理数据采集与剖析中发挥了关键的作用。研究团队负责氙灯制热、纯化系统的维护工作，负责暗物质、中微子侦测等数学目标中的碰巧符合本底剖析。2021年，合作组借助实验实现了太阳中微子的侦测。高飞等与阿根廷学院合作，首次借助液氙暗物质侦测器找寻反应堆中微子相干性弹性散射讯号，将暗物质侦测灵敏度抬高至中微子本底“地板”附近，为未来借助暗物质侦测器侦测天体化学中微子奠定了实验基础。
2010年，肖志刚出席日本杰弗逊国家实验室(JLab)的高能电子核子碰撞实验，参与了JLab的全新大科学装置SoLID的前期研制。叶志鸿深入参与JLab的电子碰撞实验天体物理学的发展，作为实验发言人之一完成了氚靶实验的第一个数学剖析并发表于，同时设计提出第二代氚靶实验。叶志鸿参与中国首个电子核子碰撞实验装置——电子离子对撞机(EiCC)的设计和研究，同时在日本已批准的电子离子对撞机(eRHIC)项目上参与和负责多个侦测器的研制。
2018年，安海鹏等提出了借助太阳加速暗物质的方式。小质量的暗物质假如可以和电子发生碰撞，会被太阳中的电子加速，因而获得一个100eV到1keV的动能，这样它的动能就超出了传统的暗物质实验的阀值，因而可以被侦测到。此方式大大提升了现有的直接侦测实验对暗物质的侦测范围。2020年，安海鹏等借助有自互相作用的暗物质的模型研究了-DF2和-DF4这些特殊星体的演进，发觉在引进自互相作用然后，形成这类暗物质稀缺的星体的可能性急剧降低。该工作说明对缺乏暗物质的星体的研究可能成为探求暗物质粒子化学性质的重要途径，获得了PRL刊物的编辑推荐。2021年，研究借助太阳耀斑层中的等离子体把超轻暗光子暗物质转化为单频射联通号，之后借助低频阵列射电望远镜(LOFAR)和正在建设的平方千米射电望远镜(SKA)来进行侦测，发觉其灵敏度赶超了宇宙微波背景幅射对暗光子暗物质模型的限制。
2021年，鲜于中之等提出，一类超轻玻骰子在高速旋转黑洞周围产生具有类氢原子基态的BEC态(称为“引力原子”)，一般携带巨大的质量四极矩，在致密双星系统中可导致椭圆轨道近心点的明显进动，通过引力波频谱和脉冲双星信噪比讯号进行观测是找寻这种暗物质候选者的有效手段。鲜于中之与耶鲁学院Lisa合作研究发觉，通过孤立演变合成的双黑洞与通过各种N体动力学机制产生的双黑洞，在亚赫兹频段的引力波讯号分布具有明显差别，对于探明双黑洞的起源具有重要价值。上涨时空中的量子场论关联函数是侦测高能标新数学的窗口。鲜于中之等首次估算得到了一圈图三点关联函数的完整数值结果，否认了圈图水平上“宇宙学对撞机讯号”的存在，为今后宇宙学观测找寻相应的新数学过程提供了理论支持。
自1982年复旦学院化学系复系以来，粒子、核与天体方向由弱到强不断发展，已拥有一批著名的学术带头人，培养了一支高水平的人才队伍，理论和实验齐头并进，国际影响力不断增强，为复旦学院化学系建设世界一流的科学研究和人才培养中心提供重要支持。
致谢朱胜江、王青、阮东、庄鹏飞、楼宇庆、王晓锋、徐喆、安海鹏、胡震、高飞、鲜于中之、叶志鸿等老师对本文亦有贡献，在此一并谢谢。
贺复旦学院化学系复系40年
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