10月4日，美国核科学咨询委员会（NSAC）发布《发现新时代：2023年核科学长期计划》[1]，为未来十年推进国家核科学研究计划提供了路线图。这是NSAC自1979年以来发布的第8个长期计划。该长期计划应美国能源部（DOE）科学办公室和国家科学基金会（NSF）的请求而开展，强调了当今核物理学保持世界领导地位的科学机会，介绍了自上一个长期计划以来的进展情况，以及核科学对造福社会的其他领域和研究应用的影响。

一、核科学需解决的重大科学问题

核科学将解决现代物理学面临的一些突出挑战，包括物质的性质和极限、自然力和宇宙进化：夸克和胶子是如何组成质子和中子，并最终形成原子核的？在原子核的结构和反应中观察到的丰富模式，如何从中子和质子之间的相互作用中产生？驱动恒星诞生、生存和死亡的核过程是什么？如何利用原子核来揭示标准模型之外的物理学？

核科学包括4个广泛且相互关联的子领域：

1、量子色动力学

研究量子色动力学描述的强核力，以了解质子和中子如何从其基本夸克和胶子成分中产生。在新设施建设方面的最高优先事项是电子-离子对撞机（EIC），它将最终使科研人员能够研究关联各种夸克的胶子的性质，并掌握原子核中巨大能量的关键。

2、核结构和核反应

研究质子和中子如何作为数千种核同位素的组成部分，一个原子核可能包含的质子或中子的数量受限的原因，以及原子核之间可能发生的反应。核碰撞、核裂变、核聚变和核衰变是一个复杂的过程，涉及强核力和弱核力。

3、核天体物理学

研究与天体物理现象相关的核过程，包括恒星的诞生、生命和死亡。这一子领域与天体物理学领域有密切的联系：核天体物理学界的成员是天体物理学这一跨学科团队的一部分，将努力了解宇宙的奇异特征，如中子星并合和超新星。

4、基本对称性

将以大量的核现象作为一个独特的实验室，来研究宇宙中一些最深层的奥秘，例如人类为什么生活在一个完全由物质（而不是反物质）组成的宇宙中。该子领域涉及研究弱核力和阐明中微子和其他基本粒子性质的实验。新实验建设的最高优先事项是启动大型的无中微子双β衰变实验活动，其结果将对物质的理解产生深远影响。

二、核科学对国家的贡献

在寻求解决物质和宇宙问题的同时，核物理学为社会带来了许多应用和好处，尤其在医疗、能源和国家安全方面。

1、为医学诊断和治疗提供不可或缺的方法

核物理技术使医学研究人员和从业者能够窥视活体，并创建生动、详细的二维和三维图像，用于诊断损伤和疾病、定位和管理癌症以及监测器官功能。放射治疗可在不需要手术的情况下向恶性肿瘤提供精确、有针对性的剂量，以消除癌体。例如发射α粒子的细胞核已被证明可以治愈先前无法治疗的转移性癌症患者；正电子发射断层扫描（PET）使用放射性同位素生成内部器官和结构的3D图像，对于诊断和监测癌症、神经系统疾病和心血管疾病至关重要；单光子发射计算机断层扫描（SPECT）使用伽马发射同位素创建内部器官和组织的详细图像；使用高能伽马射线或质子束的外部放射治疗可提供靶向剂量，以消除大脑或眼睛中无法手术的肿瘤。

2、使能源迈向无碳未来

核能生产了美国近20%的所需电力，并贡献了55%的无碳能源组合。如果要实现清洁能源目标，这些数字必须大幅增加。核能领域正在迅速发展。十几家私营初创公司正在开创一类新型的安全、防扩散的小型模块化反应堆，这些反应堆开发所需的裂变产物产量、反应截面、衰变数据等广泛数据，只有核科学界才能提供。除了经过验证的裂变能技术外，核聚变有望产生不受长期乏燃料储存复杂性影响的能量。劳伦斯•利弗莫尔国家实验室的国家点火设施（NIF）在2022年实现聚变点火，证实了惯性核聚变能的基本科学原理和可行性。核物理学是聚变能进一步发展的关键。

3、加强国家安全

美国能源部和国家科学基金会的核物理研究设施和基础设施、核科学界的科学技术专业知识、核科学基础研究教育和核数据计划，被国家核安全局广泛用于其维护国家安全的任务中，包括维护和加强美国核储备的安全、保障和有效性，减少大规模杀伤性武器的全球威胁，应对美国国内外的核和放射性紧急情况，为美国海军提供安全有效的核推进。

三、对核科学发展的四大建议

1、核科学界的最高优先事项是利用美国的大量和持续投资，为科学发现创造的非凡机会。此建议要求：增加研究预算，通过支持理论和实验研究来推进科学计划，从而促进发现潜力、技术创新和劳动力发展；继续有效运营国家用户设施阿贡串列直线加速器（ATLAS）、连续电子束加速器设备（CEBAF）和稀有同位素束设备（FRIB），并完成相对论重离子对撞机（RHIC）科学计划，推动人类知识的前沿；在不压缩劳动力的情况下，将研究生的薪酬提高到与他们的生活成本相称的水平，为所有人在科学、技术、工程和数学（STEM）领域的发展减少障碍和扩大机会，从而提高国家竞争力；扩大政策和资源，确保每个人都有一个安全和尊重的环境，充分发挥美国核劳动力的潜力。

2、作为新实验建设的最高优先事项，建议美国领导一个国际联盟，使用不同同位素和互补技术，以快速建设吨级实验为特色，开展无中微子双β衰变国际合作研究。对无中微子双β衰变的观测将证明中微子是它们自己的反粒子，并将揭示中微子质量的起源和规模。无中微子双β衰变的测量要求前所未有的灵敏度，并提出了独特的挑战。自NSAC发布2015年长期计划以来，美国领导的三项国际合作实验，即面向粒子识别的“罕见事件低温地下实验室”实验升级（CUPID）、无中微子双β衰变的大型富锗实验（LEGEND）和下一代富氙观测站升级（nEXO）实验，在三项不同的技术方面取得了显著进展，这些实验基本已准备就绪。

3、建议尽快完成EIC，将其作为设施建设的最高优先事项。EIC将是一台大规模、高亮度的电子-强子对撞机，也是未来十年世界上唯一一台将要建造的对撞机。EIC能够以飞秒尺度拍摄核物质三维照片，这些图像将揭示质子的特征性质（如质量和自旋）是如何由夸克和胶子之间的相互作用产生的，以及新的现象和性质是如何在密度极高的胶子核环境中出现的。EIC在2015年长期计划中被列为新设施建设的最高优先事项，2019年作为DOE项目启动，概念设计于2021年获得批准。它的迅速完工仍然是核物理界设施建设的最高优先事项。

4、建议利用核物理学的独特方式，通过投资额外的项目和新的战略机遇，推动发现科学和社会应用。该建议强调创新项目和新兴技术对扩展发现科学的重要性，包括：推进发现的机遇，一系列项目的实现将为未来的发现科学奠定基础，如能量升级到400 MeV/u的稀有同位素束流装置（FRIB400）、杰斐逊实验室的螺线管大强度装置（SoLID）、大型强子对撞机（LHC）重离子计划的定向升级、中微子质量和电偶极矩测量的新兴技术等；学科交叉的机遇，包括3个方面，一是量子传感、量子模拟以及高性能计算为核物理带来了显著的科学进步，二是围绕核实验和理论建立的多学科合作中心将加快发现，并使核科学领域能够通过新的观测来引领理解宇宙的探索。三是来自核物理界的核数据将可应对医学、能源、国家安全、核不扩散和太空探索等领域的重要挑战和机遇。

（黄龙光）