原子核:物理學、化學、生物學術語-中文百科頻道

基本介紹

簡介

原子核（atomic nucleus）位于原子的核心部分，占了99.96%以上原子的質量，與周圍圍繞的電子組成原子。原子核由質子和中子構成。而質子又是由兩個上誇克和一個下誇克組成，中子是則由兩個下誇克和一個上誇克組成。原子核極小，它的直徑在10-15m至10-14m之間，體積隻占原子體積的幾千億分之一。如果将原子比作地球，那麼原子核相當于棒球場大小，而核内的誇克及電子隻相當于棒球大小。原子核的密度極大，約為1017kg/m3。原子核内部結構可由核殼層模型部分描述，當質子或核子分别從各自最低殼層向上填充時，若正好填滿某一個殼層，則稱為質子或中子幻數，此時的核稱為幻核。

構成原子核的質子和中子之間存在介子，以傳遞原子核内巨大的吸引力-強力，強力比電磁力強137倍，故能克服質子之間所帶正電荷的電磁斥力而結合成原子核。原子核的能量極大，當原子核發生裂變（重原子核分裂為兩個或更多的核）或聚變（輕原子核相遇時結合成為重核）時，會釋放出巨大的原子核能，即原子能（例如核能發電）。質子和中子及介子由價誇克（組分誇克）及海誇克（流誇克）組成，誇克亦有層層（殼）結構，外層為橫向連接的價誇克，内層為縱向疊加的誨誇克，而外層為3個橫向連接的束縛态價誇克。價誇克按比例（2個上型誇克帶+2/3電荷，1個下型誇克帶-1/3電荷）分掉質子（或3誇克超子）内的整數電荷，故誇克帶分數電荷。縱向疊加的海誇克正負電荷相抵=零，原子内帶正電荷的質子與帶負電荷的電子數量相同，故整個原子呈電中性。

本質

1912年英國科學家盧瑟福根據α粒子轟擊金箔的實驗中，絕大多數α粒子仍沿原方向前進，少數α粒子由于撞擊到了電子發生較大偏轉，個别α粒子偏轉超過了90°，有的α粒子由于撞上原子核所以偏轉方向甚至接近180°。該試驗事實确認了：原子内含有一個體積小而質量大的帶正電的中心，這就是原子核模型的來曆。

相互作用

核子之間的核力，是一種比電磁作用大得多的相互作用。原子半徑很小，質子間庫侖斥力很大，但原子核卻很穩定。所以原子核裡質子間的除了庫侖斥力外還有核力。隻有在2.0×10^-15米的短距離内才能起到作用。

質子和質子之間、質子和中子之間、中子和中子之間都存在。

電荷

盧瑟福實驗

盧瑟福用一束α射線轟擊金屬薄膜，發現有少部分α粒子大角度改變運動方向，并在此基礎上提出了行星式原子結構模型：原子中存在一個帶正電的核心，即原子核。

盧瑟福從1909年起做了著名的α粒子散射實驗，實驗的目的是想證實湯姆孫原子模型的正确性，實驗結果卻成了否定湯姆遜原子模型的有力證據。在此基礎上，盧瑟福提出了原子核式結構模型。

為了要考察原子内部的結構，必須尋找一種能射到原子内部的試探粒子，這種粒子就是從天然放射性物質中放射出的α粒子。盧瑟福和他的助手用α粒子轟擊金箔來進行實驗，如圖是這個實驗裝置的示意圖。

在一個鉛盒裡放有少量的放射性元素钋（Po），它發出的α射線從鉛盒的小孔射出，形成一束很細的射線射到金箔上。當α粒子穿過金箔後，射到熒光屏上産生一個個的閃光點，這些閃光點可用顯微鏡來觀察。為了避免α粒子和空氣中的原子碰撞而影響實驗結果，整個裝置放在一個抽成真空的容器内，帶有熒光屏的顯微鏡能夠圍繞金箔在一個圓周上移動。

實驗結論

原子是電中性的，核帶有的正電荷等于核外電子的總負電荷。對原子序數為Z的原子，核帶正電+Ze。核的電荷數是一個嚴格的整數，它等于核内的質子數。質子帶正電+e，與電子的電量相等。

自由度

π介子自由度

在建立互作用玻色子模型的同時，核結構理論又從核内非核子自由度的研究中得到了新的進展。以核集體模型為代表的廣義核殼層模型盡管取得了一定的成功，但畢竟還有一定的局限性。首先，這些模型都隻是從部分實驗事實或觀測現象出發，從某個側面用類比方法反映核子系統的機制。此外，在核反應理論中，所引入的可調參數又太多。可調參數越多，說明這個理論離成熟性與完整性越遠。再加上現有的各種核模型間缺乏統一的内在聯系，它們不是一個包容另一個，而是彼此獨立，相互間關聯甚少。追究起來，存在這些問題的原因是對核多體系統的認識有關。按傳統認識，核内的核子隻是一個無結構的點，核僅由這些被當作為點的核子組成，即原子核隻存在有核子自由度，核子之間的作用單純為兩點間的作用。事實上，早在30年代，有人就預言了核内存在有非核子的自由度。

1932年，查德威克發現了原子核内除了質子外，還有中子以後，很快地，海森伯就提出原子核是由質子和中子組成的。然而是什麼力把它們緊緊地約束在核中呢？1935年，湯川秀樹發表了核力的介子場理論，他認為π介子是核力的媒介，并參與β衰變，同時提出了核力場方程及核力的勢。根據這一理論，質子和中子通過交換π介子互相轉化。1947年，π介子在宇宙射線中被發現。由于在核力理論中預言π介子的存在，湯川秀樹獲得了1949年諾貝爾物理學獎。

随着粒子物理學的發展，人們逐漸發現，在原子核内，除了傳統的質子、中子自由度以外，還有更多的自由度，它們包括：π介子自由度、ρ介子自由度以及各種核子的共振态△、σ粒子自由度、核内誇克自由度和核内色激發自由度等，情況遠比人們對核的傳統認識複雜。對這些自由度的研究極大地豐富了原子核物理學的基本内容。

誇克自由度

從40年代末到50年代初，随着世界上各大型加速器的投入運行，粒子物理逐漸從核物理中分化了出來。上世紀60年代以後，粒子物理取得了一系列令人矚目的進展。例如，在70年代初，格拉肖、薩拉姆和溫伯格将弱、電相互作用統一在SU（2）×U（1）對稱群的規範理論之中，并從多方面得到了實驗上的直接和間接的證實。粒子物理的另一個著名成就是誇克模型和量子色動力學的建立。根據微觀世界中的對稱性，不僅可以對強子進行分類，而且還對強子内部結構的認識提供了有效的途徑。低能強子按SU（3）對稱群分類，這些強子的基本構件，也是SU（3）對稱群的基礎就是誇克，包括u誇克、d誇克和s誇克。為使強子滿足自然界普遍遵守的自旋與統計性關系，每種誇克還有3種不同的色，色相互作用是強相互作用的起源，而傳遞色相互作用的8個媒介子就稱為膠子。實質上，強相互作用理論即為SU（3）色對稱群的規範理論，稱為量子色動力學（QCD）。根據誇克模型，原子核的核子應由3個價誇克以及稱為海誇克的虛誇克-反誇克對膠子組成，而傳遞核子相互作用的介子應由價誇克、價反誇克和海誇克、膠子組成。這種物質結構的新觀點啟發人們思索，核内的核子處于核的“環境”之中，它們到底與自由核子有什麼區别？核“環境”對核子有什麼影響？核内的誇克和膠子的分布如何？它們都參與什麼作用？……這一系列問題都将與核内誇克自由度等的非核子自由度有關，這些問題已成為當今核物理發展的關鍵。

目前還不能嚴格地用量子色動力學描述原子核這樣的多誇克系統，考慮到可能存在誇克自由度，有人提出了一個更為大膽的簡化核模型。這一模型從誇克和它們之間的相互作用力出發，采用類似傳統的獨立粒子殼層模型的方法來解釋原子核的各種性質。在考慮誇克間相互作用時，這一模型假定存在有“對力”，而不考慮誇克的禁閉性質。根據這一模型，誇克的色自由度使每個殼層上容許的誇克數恰好與傳統殼層模型每個殼層上的核子數相同，這使人們想到，在原子核内的誇克存在有自由度，它們可能不像在自由核子中那樣禁閉，那麼原子核内的誇克究竟有多大的幾率跑出核内的核子之外？原子核内的誇克自由度能否表現出來？在對這些關鍵問題的研究中，核物理與粒子物理兩大學科又重新走到一起，而趨于彙合之中。

EMC效應

傳統的原子核的質子-中子模型在描述低能核現象時都十分成功，這表明，要發現核内的誇克效應或其它非核子自由度應該到高能核現象中去尋找。此外，根據标準模型預言，原子核是由若幹核子、介子組合的集合系統，而核子、介子又都是通過膠子相互作用的誇克系統，核子在核内不停地運動，又會由于核子間的重疊形成誇克集團，這樣一來，核内核子的性質，如大小、質量等，一定與自由核子不同，例如會稍微膨脹而變“胖”和有效質量變小等。此外，禁閉在核内核子中的誇克密度分布也會與自由核子的不同。這些都是由于誇克自由度帶來的影響，稱之為誇克效應。

尋求核内誇克效應的最直接和有效的方法就是用“探針”探測。這種“探針”就是能量極高的入射粒子。入射粒子的能量越高，它的德市洛意波長越短，分辨核内微小尺度的能力越強。此外，最好采用電子和μ子等非強子作探針，以避免強相互作用幹擾，因為至今對強相互作用的了解不如電磁相互作用那樣清楚。對于實驗的結果，有人預計，當用能量高達幾個京電子伏的高能輕子打入核内時，它們與核内誇克相互作用而散射，通過對散射粒子的能量、動量和散射角分布的測量，探知核内誇克的動量分布，即核子的結構函數。而另一些人則認為，原子核隻是一個質子-中子構成的弱束縛體系，對于高達幾個京電子伏的高能過程，這種弱的束縛不會起什麼作用，核的“環境”影響不能顯示出來，在自由核子靶上以及在原子核内核子靶上，測量這種結構常數不會顯示什麼差異。然而實驗的結果，卻大大出乎後一些人的預料。

1982年，在歐洲粒子物理研究中心，由來自17個國家和地區的89位高能物理學家，組成了歐洲μ子實驗合作組（EMC組），進行了帶電輕子深度非彈性散射實驗。他們使用的高能輕子為電子、μ子和中微子，輕子與核子間傳遞的能量高達幾個到幾十個GeV，這一實驗結果發表在《物理通訊》雜志上①。實驗得到了鐵原子核結構函數與氘核結構函數的比值，發現這一比值是誇克動量與核子平均動量比值x的函數，當x在一定的範圍（布約肯區）内時，這個比值為0.05～0.8，且呈一定規律随x變化。這個結果很重要，因為如果認為核内的核子仍保持自由核子的性質，這個比值應為1，比值偏離1的實驗結果表明，原子核内的核子包含了較多的低能誇克。盡管核子在核内的束縛很弱，周圍核物質的存在依然明顯地影響到束縛在核内誇克的動量分布。面對這一實驗事實，人們不得不改變原來的看法，這一結果由此得名為“EMC效應”。随後，EMC效應陸續被美國斯坦福直線加速器、德國的電子同步加速器及世界上其它幾個大加速器的實驗證實。

EMC效應的發現引起了世界性的轟動，這不是偶然的。它像科學史上許多其它重要發現一樣，不是“先驗的理論”，而是實驗事實強迫人們去接受一種新的觀念，這就是原子核内核子的亞結構與一般自由核子的亞結構有明顯的不同。這裡值得提起一個反面的例子，如果人們不是被一些“先驗的理論”所束縛，本該更提早十幾年發現EMC效應。在70年代初，在斯坦福直線加速器實驗室(SLAC)就有一個用高能電子測量核子結構函數的研究組。他們以液氫與液氘為靶，得到了核中質子和中子的結構函數。因為用來盛液氫、液氘的容器是鋼和鋁的，為消除本底的影響，他們又進行了容器的空靶測量，這樣就掌握了鋼和鋁靶的結構函數，卻不曾想到與自由核子的結果相比較。EMC效應的結果發表以後，他們把十幾年前依然保存完好的數據重新計算分析，他們自己戲稱這是“做了一次‘考古學’的研究”。其結果确實充滿戲劇性，兩次研究一前一後時隔十幾年，對不同的探測粒子、不同能區做了測量，竟然得出完全一緻的結果。這一事實不僅再一次令人信服地證實了EMC效應的存在，還使人們冷靜地看到，SLAC小組先于十幾年得到實驗的全部數據，卻未能成為EMC效應的發現人，這不能不說明，對于那些已被廣泛接受卻未經實驗事實證實的“先驗理論”，确有必要重新檢驗。1988年，EMC組又在極小的布約肯區(0.003≤x≤0.2)對不同的核(12C、46Ca、73Cu、56Fe、119Sn)進行了測量。結果發現，在0≤x<0.1時，結構函數比值小于1，有明顯的遮蔽現象；而在0.1≤x≤0.2時，結構函數比值大于或等于1，有較弱的反遮蔽現象，而且遮蔽現象随不同的核而不同①。伯格(E.L.Berger)等人對這一現象做出了解釋②。他們先從傳統的核子-介子模型出發，同時考慮了核子的費密運動修正，認為遮蔽現象來源于核子造成的“影子”，即入射粒子“看不到”處于“影子”中的核子。根據這一解釋，遮蔽現象本應該随着入射高能輕子轉移給靶核動量的增大而迅速地減小，以至消失，然而實驗現象卻與這種估計相反。這表明，EMC效應使傳統的核子-介子模型出現了困難，原子核并非簡單的核子的集合，即使引入了核子運動的費密修正，核内的誇克分布也與自由核子不同，這就迫使人們不得不考慮誇克自由度的問題。

根據量子色動力學，誇克的相互作用性質與核力、電磁力及引力性質完全相反。在強子内，誇克間距離很小時，它們幾乎相互沒有作用，行為像無相互作用的自由粒子，然而随着誇克間距離的加大，禁閉勢壘急劇增高，誇克像是被禁閉在強子的内部。EMC效應的發現使人們想到，禁閉在核“環境”中核子内的誇克自由度可能比自由核子内的誇克自由度大，在核“環境”中，核子内的誇克将有可能以某種幾率跑到核子之外，甚至從一個束縛核子中“滲透”出來，再進入另一個束縛核子之中，兩個相互靠得較近的核子會以一定的幾率彼此“融合”，使核子自身膨脹起來，核子會因這種膨脹而變“胖”，随之有效質量減小。核内核物質密度越大，核子重疊機會越多，誇克禁閉長度增加就越大，這一效應就越明顯。對EMC效應的這一解釋先後由卡爾森(E.E.Carlson)①及克洛斯(F.E.Close)②等人給出，他們的解釋與1988年EMC協作組的實驗結果取得了大部分的一緻。

形态探索

簡述

迄今為止，已發現的穩定原子核265種，60種天然放射性核，人工合成有2400種核，然而在核素圖上，由中子滴落線、質子滴落線及自裂變半衰期大于1μs的限制邊界内所包圍的核素應有8000餘種，這表明有一大半核尚未被人們認識。根據目前的情況，考慮到可能的生成與鑒别方法，估計還可能被生成或鑒别600種左右的新核素，它們是世界各地有關實驗室不惜耗費重金搜索的目标。

然而，随着遠離β穩定線，未知新核素的生成截面也越來越小，壽命越來越短，使分離、生成和鑒别的難度越來越大。遠離穩定線原子核研究在核物理學中占有特殊重要的地位。首先，這些核素具有一系列獨特的性質，例如它們的中子、質子數之比異常，有的核結合能極大，有新的衰變方式，如高能β衰變、β延遲粒子發射、β延遲衰變、表面結團結構、形狀共存以及中子滴落線附近核的反常大半徑等。對這些獨特現象的研究，有助于檢驗和發展現有的原子核理論。此外，現有的核結構模型，大部分是在β穩定線附近幾百種核研究基礎上建立起來的，如液滴模型、獨立粒子核殼層模型、核集體模型等，它們都有待在遠β穩定線的原子核研究中得到檢驗、深化與發展。随着新核素的生成與鑒别，以及随着對它們的衰變性質及核結構的研究，會不斷地有新的現象被揭示，人們對核内部的結構以及運動規律的認識也将不斷地深化。此外通過對遠離β穩定線原子核的研究，還可能找到某些新的同位素和核燃料，為核能與核技術的應用提供新的能源。總之，核物質新形态的研究是一個十分廣闊而又值得探索的新領域，這一領域中的任何新的進展都将能推動與它有關的原子物理、天體物理、核化學以及放射化學的進展。

在核物質新形态探索中，帶有重要影響的有重離子核物理、極端條件下原子核以及誇克-膠子等離子體的研究。

重離子核物理

這是近30年來，在核物理學研究中一個十分活躍又是極具有生命力的前沿領域。在本世紀50年代以前，人們在研究原子核的結構與變化時，隻是利用質量小的輕離子，如氦核、氘核、質子、中子、電子和γ射線等轟擊原子核，這一研究已取得了多方面的成果。從50年代到60年代中期，随着加速粒子能力的提高，人們開始使用高能碳、氮、氧核去轟擊原子核，主要進行的是彈性散射與少數核子轉移反應。從60到80年代，重離子核反應開始逐步成為獲得人工超钔元素的主要手段。近20年來，大約以每年發現30～40種新核素的速度發展着。1982年5月11日，美國勞侖斯-伯克利實驗室(LBL)第一次成功地獲得了地球上天然存在的最重元素鈾的裸原子核，并将其加速到每個核子147.7MeV的能量，整個鈾238離子的總能量達到35GeV。在這個能量上，離子速度達到了光速的二分之一。LBL的這一創舉，不僅開創了相對論重離子物理學，而且使核物理的研究跨入一個以前無法觸及的新領域，在這個新領域中，一些激動人心的奇特現象引起了物理界的高度重視。LBL得到的高能鈾離子是由一台稱為貝瓦萊克(Bevalac)的加速裝置獲得的。這台加速裝置由兩部分組成。一部分是高能質子同步加速器，它隻能把質子加速到10億電子伏，是40多年前建成，如今早已廢棄不用的老加速器，把它配了離子源和注入器，作為第一級加速器使用；另一部分是重離子加速器。通常，重原子的内層電子由于強庫侖作用，被緊緊地束縛在原子核外的内層，Bevalac先使鈾原子部分電離，形成帶少量正電荷的鈾離子。然後，令其加速，當鈾離子的速度超過核外電子的軌道速度時，使鈾離子穿過某種金屬膜，就會有相當多的電子被“剝離”，而形成帶較多正電荷的鈾離子，例如U68+。再使U68+繼續加速，再使其通過聚酯樹脂薄膜，得到U80+和U81+的離子混合物，最後再經過一層厚的钽膜，全部電子均被“剝”淨，從而得到了絕大多數的裸鈾核。

應用高能重離子可以研究核裂變的異常行為。在一般的原子核中，庫侖力與核力起着相互制約的作用。若核力較強，原子核比較穩定；若庫侖力較強，核就容易裂變。由于中子隻參與核力作用，似乎增加中子數可保持核的穩定，然而，核力的力程極短，随着距離增加，核力急劇下降，使原子有一個極限尺寸，超過這個極限，原子核将不能束縛更多的中子。可裂變的鈾核正處于核力與庫侖力相抗衡的狀态，它們稍微受到接觸就會裂解，之後，庫侖力占優勢，使核裂片互相分離。在Bevalac中産生的相對論性高速鈾核就可以用來研究高能下核裂變行為。果然，把高能裸核注入乳膠探測器中，通過對徑迹分析發現，鈾核與探測器物質原子核相撞，出現了一系列奇特現象。例如，在152個碰撞事例中，有半數事例的鈾核分裂成大小相差不多的兩塊，另外半數事件卻分裂成數塊，甚至在18%的事例中，鈾核被撞擊粉碎，而且入射能量越高，這種粉碎的事例越多，這類事件是高能核裂變的一種反常行為。

重離子研究

(1)探索誇克-膠子等離子體(QGP)

相對論重離子物理學是近年來發展較快的核物理前沿領域，也是今後若幹年内核物理的重要研究方向之一。它主要是研究在極高溫度（達到1012K，即太陽中心溫度的60000倍）以及極高密度（10倍于正常核物質密度）下，核由強子态向誇克物質态，即誇克-膠子等離子體的相變。這項研究具有極其重要的意義。首先，誇克-膠子等離子體是人們長期以來渴望求到卻又難以得到的一種物質形态。誇克-膠子等離子體與一般的電的等離子體不同，在誇克-膠子等離子體中，誇克在強子外是自由的，而整體上又是色中性的。如果說，上一世紀給本世紀留下了兩個謎，一個是無絕對的慣性系，一個是波-粒二象性，這兩個謎已随着愛因斯坦的相對論及量子力學的建成得以解決，那麼，本世紀粒子物理學的發展又使另外兩個更深層次的謎，一是對稱性破缺，一是誇克禁閉呈現了出來。當前，描述自然界四種基本作用的理論是，描述強相互作用的量子色動力學(QCD)，描述電-弱相互作用的SU(2)×U(1)的模型理論，描述引力作用的廣義相對論，這些理論的最終統一将使這兩個謎獲得最終解決，而相對論重離子物理研究又直接與這兩個謎相關，正因如此，有人稱這項研究具有“世紀性的地位”。當兩束高能重離子相撞時，雖然在極短的時間内，離子之間無重子分布，是一種物理真空區域，但是它卻比一般的真空能量密度高得多，因而是研究真空激發态的理想區域。這時物質的有效質量為零，手征對稱性得以恢複。此外，又根據核的相變理論，在正常溫度和正常密度ρN條件下，一般核物質處于正常核态；但當密度達到2ρN時，可能出現π凝聚，這是核物質具有較高秩序的狀态，類似晶體點陣排列的原子；當密度達到5ρN左右，單個核子産生許多新的激發能級，核變為激發态的強子物質；若再進一步壓縮核物質，使密度達到10ρN左右，核由強子激發态繼續發生相變，此時出現解除誇克禁閉，誇克跑出核子外，在比核子大得多的範圍内自由運動。此時，誇克與誇克間相互作用粒子組成誇克-膠子等離子體(QGP)。雖然這種理論分析尚有許多不确定因素，卻引起了許多人的興趣。人們一緻認為，高能重離子反應是實現這一相變的最有希望的途徑。有人估計，要實現普通核的非禁閉相變，核碰撞質心能量要達到100GeV/N。預計在1996年建成的美國布魯克海汶國家實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)将能滿足這一要求。

(2)格點規範場理論對相變條件的預言

為探索誇克-膠子等離子體，首先應從理論上估計核物質由強子态向誇克-等離子體相變發生的條件。先從核物質密度與強子密度之差估算相變所需要的能量。其結果是，當核密度提高到正常态的4倍時，相變即可實施。然而這種方法僅隻是一種估算，精确的方法應采用格點規範理論。在強子尺度的小範圍内，研究誇克的物質運動規律時，量子色動力學采用了微擾展開的方法，這種微擾法取得了很大的成功。但是在大于強子的尺度上，誇克-膠子的等效相互作用強度并不小，由于交換動量的結果，使誇克-膠子體系産生了各種非微擾量，原來的微擾法不再适用。在強相互作用中，這種非微擾效應表現在多方面。從粒子的質量看，質子的質量恰好是938MeV，△粒子的質量是1236MeV，π0介子質量是135MeV，為什麼它們恰好是上述值，這實際上就是一種由非微擾效應産生的結果。此外，粒子的壽命、衰變現象、零點波函數、磁矩、結構函數甚至真空結構等，也都是誇克-膠子在大距離上的作用效應，也屬于非微擾效應産生的結果。這些現象與非微擾效應的關系，是粒子物理學中十分重要而又未被完全開發的領域。1974年，美國康奈爾大學的威爾遜(K.G.Welson)提出了格點規範場理論，用以解釋非微擾現象。其作法是，先設法在4維時空中取一系列等間隔的格點，連續的時空被一系列離散的格點所代替。他規定，膠子規範場隻在格點間的鍵上起作用，而誇克費窯場則定義在格點上。由上述場量組成的格點作用量具有規範不變性。當格點間的距離趨于零時，格點作用量趨于原有的量子色動力學作用量，格點規範理論趨于連續時空的規範理論，與連續時空的漸近自由相對應。下一步做法是，先在格點體系中計算各個物理量，然後再把格點間距趨于零，就可望得到真正的物理量，特别是那些非微擾量了。

事實上，微觀世界中的微擾量與非微擾量本是人為地劃分出來的。當認識水平未達到一定的層次時，先讨論微擾量隻是一種對複雜事物的簡單處理方法。格點規範場理論的建立表明，人的認識水平又向更高層次邁進了一步。此外，由于粒子物理與統計物理的研究對象都是有無窮多自由度的體系，格點微擾理論把它們之間的相似性突出地表現了出來。然而，格點規範理論的計算是很複雜的，因為每個格點有四個正方向共四個鍵，在SU(3)規範不變條件下，每個鍵有8個獨立變量，每個格點又有正反誇克場，每個誇克場有4個Dirac分量，有三種色，至少有四種味，這樣一來，對于每邊有16個格點的四維立方體，就有200萬個獨立變量。由于系統複雜，目前尚不能使用解析方法求解。但是由于理論的規範不變性，使讨論對象具有群積分的性質，可以用數值計算方法計算。1981年，帕瑞西等人利用布魯克海汶國家實驗室的大型計算機，使用抽樣計數方法，即蒙特卡羅數值計算法，計算了這些群積分，不僅首次得到了π介子、質子、△粒子等強子的質量，而且還得到了π介子衰變常數以及标志手征對稱性自發破缺不為零的數值。以後，又有人用同樣方法計算出更有意義的結果，例如證實了兩個重誇克之間的位勢随距離的增加，呈現由庫侖位勢向線性位勢的變化。這一結果證明了誇克之間距離加大時，存在有越來越大的作用力，結果使它們“禁閉”起來（漸近自由）。計算結果還顯示，溫度增加到一定程度，即高能粒子互撞時，誇克的自由能突然加大。這表明，在高能散射中，它們有可能從“禁閉”中被“解放”出來，相變的臨界溫度為200MeV、密度為正常核密度的5倍以上，達到這一條件相變即有可能發生，這一結果确實給人極大的鼓舞。

實驗嘗試

1986年，歐洲原子核研究中心(CERN)在SPS加速器上首次進行了(60GeV～200GeV)/N的氧束流沖擊重靶的實驗，這是一次較為成功的相對論重離子實驗。在這以前所做的有關實驗，如CERN的p-p，α-α實驗；費密實驗室的p-p實驗，雖然能量很高，但由于碰撞粒子的質量太輕，高能密度聚集的範圍太小，而LBL的Bevalac上做的Kr束打靶實驗，雖然粒子足夠重，但每個核子的能量隻有1.8GeV，這個值又太低，使碰撞區的溫度不夠高。還有的雖然能量足夠高，但實驗的統計性又太差，事例數太少，都未能獲得成功。

在CERN的這次成功實驗中，發現了人們所期待的“J/ψ抑制效應”，它是QGP存在的迹象之一。根據理論分析，J/ψ粒子有三種衰變方式，它可能衰變成兩個電子，e+和e-；還可能衰變成兩個μ子，μ+和μ-；或者衰變成強子。在高能碰撞中，強子也可能産生J/ψ粒子。J/ψ粒子可以看作由c和粒子組成，自由的c對存在有束縛态。當有QGP産生時，由于德拜屏蔽效應的存在，會抑制c束縛态的出現，因而不能組成J/ψ粒子，或者說J/ψ中産生的幾率下降，于是J/ψ中粒子産額抑制現象常被當作為QGP出現的信号。

CERN使用的是200GeV/N的32S打擊238U，所形成的體系可能是發射π介子和K介子，也可能發射J/ψ粒子，J/ψ粒子又可能再衰變，通過衰變粒子，如μ+和μ-，來判斷J/ψ粒子的産額。在碰撞區形成一團火球，邊緣地區的J/ψ粒子産額竟然是火球中心的1.6倍，由此判定，碰撞中心出現了J/ψ抑制，即有産生QGP的迹象。

另一個顯示出現QGP迹象的實驗是在美國布魯克海汶國家實驗室進行的，這是測定K+/π+比例的實驗。他們使用了14.5GeV/N的28Si束打擊Au靶，觀測K+與π+産額之比，并與質子對撞情況相比較。他們認為，如果有QGP産生，π+、K-和π+産額将減少，至多是不變，而K+的産額卻要增加，這樣一來，有QGP時，K+/π+産額比值應加大。他們的實驗結果是：28Si打擊Au後，K+/π+産額比值由質子對撞時的0.07上升為0.20，而K-/π-的比值則與質子對撞時一樣。

重離子對撞實驗是很複雜的。根據理論計算，在現有的條件下，對撞區的溫度可達到200MeV左右，這個溫度在相變臨界溫度附近，所形成的火球的橫向半徑大約有4.3～8.1fm，徑向半徑約有2.6～5.6fm。一個碰撞事例往往可以産生500個以上的次級粒子，處理這樣複雜的事例以及處理如此大量的特征信号是件極為困難的事，因此，通過上述特征估計QGP的形成仍隻是一種試探。即使如此，由于理論物理學家已給出相變存在的可能性，也由于實驗物理學家又較成功地處理了如此複雜的反應事例，還由于相對論重離子碰撞實驗已達到了理論預言的能區，更由于這項研究目标所具有的深遠的意義，這一切都使得誇克-膠子等離子體的研究成為核物理學前沿的熱點課題之一。