直接核反应
#+title: plain-直接核反应#+date: [2026-05-02 Sat 10:05]#+filetags: :plain:atom:#+identifier: 20260502T100508#+source: 综合知识库已有研究（核力与核结构/奇特核/核裂变）+全球web搜索（Frontiers/Nature Rev. Phys./PRL/PRC/arXiv/Science China/RIKEN/FRIB/ISOLDE/北航/北大/中科院近物所等40+来源），覆盖转移反应/敲出反应/库仑激发/谱因子淬灭/从头算NCSMC/DOM/AT-TPC/SOLARIS/CDCC/准自由散射等
1952年，欧文·张伯伦和埃米利奥·塞格雷在伯克利用350 MeV的质子打锂靶，第一次看到了准自由敲出：一个质子撞进去，把锂核里的另一个质子撞出来，两边的质子几乎像自由粒子一样弹开。核的其余部分像旁观者一样呆在原地，没什么反应。
这跟当时主流的核反应图像很不一样。主流图像是"复合核"：入射粒子被靶核整个吞掉，能量在里面搅来搅去，过一阵子再吐出点什么。搅的时间约10^-16秒——对核物理来说，这算慢的。但张伯伦和塞格雷看到的反应快得多：10^-22秒。入射粒子进来，撞一个核子，撞飞了，结束。
Satchter在1960年代把这种快反应叫"直接核反应"。名字起得朴素，但意思精确：入射粒子只跟靶核里少数几个核子直接作用，靶核的其余部分没时间参与。这让它成了窥探核内部单粒子结构的天然窗口——你敲出来的是哪个轨道上的核子，反应截面就告诉你那个轨道的量子数和占据概率。
六十多年后，直接核反应仍然是核结构研究最锋利的刀。但刀越锋利，越容易卷刃。这把刀卷了一个二十年的刃——谱因子淬灭问题。
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直接核反应有三大类，各有各的活儿。
第一类叫转移反应。一个核子从弹核跳到靶核上，或者反过来。最常见的是(d,p)反应：氘核（一个质子加一个中子）打靶核，中子被靶核抓住，质子飞走。这等于给靶核加了一个中子，同时告诉你这个中子停在了哪个轨道上。反向的(p,d)反应则是从靶核拿走一个中子。
转移反应的威力在于它的选择性。不同的出射粒子能量和角度对应靶核不同的激发态。你扫一遍出射质子的能谱，就能看到靶核里中子轨道的能级排列——像读一份核的"房产清单"：哪个轨道被占了，哪个空着，每个住了多少核子。
第二类叫敲出反应。用什么东西——碳靶、铍靶、甚至质子——把核里一个核子硬撞出来。跟转移反应不同，敲出不是"搬进去一个邻居"，而是"把屋里的人扔出去"。扔出去之后，剩余核留在什么态，取决于被敲走的核子原来在哪个轨道上。
敲出反应在高能下有一个特别的模式，叫准自由散射。入射质子直奔靶核里的一个核子，像打台球一样把它撞出来。因为能量高、作用快，核的其他部分来不及反应，就像一个旁观者。准自由散射可以同时测量入射粒子和被敲出的核子，重建碰撞的几何，直接看到核子里那个核子的动量分布。
第三类叫库仑激发。用长程的电磁力——而不是短程的核力——去激发靶核。具体做法是让束流核从重靶核旁边擦过，不碰上，但足够近，让靶核的电场把束流核激发到更高的能级。这个"擦过但不碰"的距离大约是库仑位垒以外，叫"安全能"——意思是纯电磁作用，核力没掺和进来。
库仑激发特别擅长量原子核的形变。因为电磁跃迁的概率跟核的电四极矩和八极矩直接挂钩——四极矩告诉你核是不是椭球，八极矩告诉你核是不是梨形。你测到B(E2)值大，说明核被拉长了；B(E3)值大，说明核有梨形变形。
三类反应，三种探针：转移看轨道，敲出看动量，库仑激发看形状。
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但问题来了。你用这些探针"读"出来的数字，对不对？
具体说，转移反应和敲出反应都会给出一个叫"谱因子"的东西。谱因子衡量一个核子占据某个量子轨道的概率。如果核里的核子完全独立地住在各自的轨道上——壳模型的理想世界——那么最外层轨道的谱因子应该是1：这个轨道要么被占满了（谱因子=1），要么完全空着（谱因子=0）。
但真实核不是这样。核子之间有关联——配对关联、短程关联、芯激发——它们把单粒子强度从一个轨道"拆散"到很多碎片上。主碎片的谱因子不到1，其余的散落在附近。这本身是预料之中的。
但问题是：从敲出反应提取出来的谱因子，系统性地比理论预测的低。而且低多少，跟被敲出的核子是紧束缚还是松束缚有关。松束缚的中子——比如晕核外圈的中子——敲出来，谱因子接近理论预期。紧束缚的核子——深深埋在核里的——敲出来，谱因子只有理论的一半甚至更少。
这个"分离能不对称淬灭"在二十年前被发现，此后一直是核反应理论里最让人头疼的开放问题之一。2023年11月，Lee、Kay等人在Physical Review Letters上发表了一篇论文，第一次把转移反应和敲出反应的数据放在同一个框架下比。他们的结论是：如果仔细处理反应理论的不确定度，松束缚核子的谱因子在两种探针下确实一致——但紧束缚核子的谱因子在敲出反应中仍然系统偏低。谜没有完全解开，只是缩小了范围：问题出在紧束缚那一端。
2025年1月，李诗昌、裴俊琛和庞丹阳在arXiv上发了一篇论文，提出了一个新机制——"芯屏蔽效应"。他们说：当入射粒子要敲出一个深埋的核子时，它先得穿过核的芯。芯里的核子密度很高，它们的存在压制了深束缚核子的单粒子波函数在核内的大小——就像一堵密实的墙挡在门口，你够不到墙后面的人。松束缚核子在核表面，波函数没有被压制，所以敲出来没问题。这个参数化的芯屏蔽效应显著减小了淬灭因子对同位旋的依赖——也就是说，加了这个效应之后，松和紧核子之间的谱因子差距缩小了。2026年2月，这篇论文正式发表在Science China Physics, Mechanics & Astronomy上。
但芯屏蔽是参数化的，不是从第一性原理推导的。它是一个很聪明的唯象修正，但修正的根源——深束缚核子跟反应探针之间的多体耦合——还需要微观理论来解释。
2026年2月，arXiv上又出现了一篇论文，从另一个角度切入：动力学起源。作者把早期的结果推广到任意的复合弹核，建立了缺失的诱导相互作用和观测到的谱因子淬灭之间的直接联系。意思是：淬灭不是因为核子"不在那里"了，而是因为反应过程中的动力学修正——探针跟核的其余部分的相互作用——把一部分截面"偷走"了。
这两个解释不矛盾。芯屏蔽说的是波函数被压制，动力学说的是截面被修正，但物理根源都是同一个：敲出反应不像我们以为的那么"干净"，探针不只是跟那个核子说话，它还在跟整个核说话。
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色散光学模型（DOM）从另一个方向切入了这个问题。它做了一件听起来理所当然但之前没人做到的事：把散射态和束缚态的数据放在同一个势里。
传统上，描述弹性散射的光学势和描述束缚态的Woods-Saxon势是各管各的——参数不同，拟合的数据不同，两者之间没有逻辑联系。DOM说：不对，它们应该是同一个东西。单粒子传播子（格林函数）的自能，同时描述正能（散射）和负能（束缚）的行为。通过色散关系——实部由虚部通过积分变换决定——散射数据约束束缚态的性质，反之亦然。
2025年1月，Atkinson和Dickhoff在Frontiers in Physics上发表了用DOM处理钙-40和钙-48敲出反应的工作。关键发现：
从DOM算出来的谱因子比传统分析高约0.05。原因是DOM用的是非局域势——势不只依赖位置，还依赖动量——而传统用的是局域势。非局域势自然地压制了核内部的散射波函数，给出了稍大的谱因子。
从钙-40到钙-48，质子的谱因子系统下降。0d₃/₂轨道从0.71降到0.60，1s₁/₂从0.74降到0.64。DOM把这个下降跟高动量质子含量的增加联系了起来：钙-48多了8个中子，质子-中子的张量力把一部分质子强度从低动量拉到了高动量，按求和规则，低动量的谱因子就必须减小。
但DOM也有一个没解决的矛盾。用同一套DOM波函数算(e,e'p)和(p,2p)反应，(e,e'p)给出的谱因子是0.71——跟DOM自洽——但(p,2p)要求0.56才能拟合数据。差了21%。同一个核、同一个轨道、同一套波函数，两种反应给出的谱因子不一样。问题出在强相互作用的有效算符上——(e,e'p)的电磁相互作用是精确已知的，(p,2p)的核力有效相互作用则不是。DOM指出：在介质中的质子-质子有效相互作用需要用有限核的传播子来计算，而不是从无限核物质的结果映射过来。
这个矛盾的深层含义是：我们以为谱因子是核的性质——跟反应无关的内禀量——但事实可能更复杂。不同的反应探针，以不同的方式"看"同一个核，看到的谱因子可能真的不一样，因为探针和核之间的动力学耦合不同。
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理论在纠结谱因子到底对不对，实验这边也没闲着。过去十年，直接核反应的实验技术经历了一场静悄悄的革命。
FRIB在2022年开始运行后，直接反应是最先用上的工具之一。FRIB的放射性核束强度够高，让逆运动学的转移和敲出实验首次对很多奇特核成为可能。所谓"逆运动学"，就是把传统图像翻过来：不是用稳定束打放射性靶，而是用放射性束打稳定的轻靶——比如氘靶、质子靶、碳靶。这样，你研究的是不稳定的弹核，而不是不稳定的靶核。
但逆运动学有一个技术难题：出射的轻粒子（质子、氘核）在实验室系里集中向前飞，动量展宽大，能量分辨差。传统探测器很难在这种几何下做好测量。
SOLARIS光谱仪解决了这个问题。它是一个超导螺线管磁铁，束流从一头穿过去，在磁场里出射的轻粒子走螺旋线。螺旋的半径和间距携带着粒子的动量和散射角信息，用硅探测器阵列在磁场另一端读出来。全世界只有三台这样的螺线管光谱仪——FRIB的SOLARIS、ATLAS的HELIOS、以及JYFL的IGISOL装置上的类似设计。
2026年4月，arXiv上出现了一篇论文，报告了用SOLARIS配合活性靶时间投影室（AT-TPC）做的¹⁰Be(d,p)¹¹Be实验。这是AT-TPC和SOLARIS第一次耦合运行——AT-TPC同时充当氘气靶和探测器，SOLARIS提供磁场分析粒子的螺旋轨迹。结果是：在高亮度下不牺牲能量分辨。这对低强度放射性核束的实验至关重要。
他们测量了¹¹Be到3.40 MeV激发态的谱因子和角动量转移，发现3.40 MeV态的正宇称指定是自洽的——如果指定Jπ=3/2⁺，它正好属于¹¹Be基态晕的Kπ=1/2⁺转动带。从头算（NCCI，使用Daejeon16核力）支持这个指定。¹¹Be是教科书级的中子晕核——它的基态是1/2⁺入侵态，跟壳模型的预期相反。这个新结果告诉我们，晕的集体激发是怎么组织的。
活性靶是另一个关键的技术进步。AT-TPC本质上是一个充了气体的电子学眼：束流穿过气体，反应在气体里发生，电离的电子漂移到读出面上，给你一条三维的反应径迹。它既是靶——气体就是反应物——又是探测器——看得到每一条径迹。这意味着你可以用很厚的"靶"而不损失分辨——传统固体靶做不了这一点，因为粒子在固体里会被散射和能量损失弄模糊。对低强度束——FRIB产出的最稀有的同位素，每秒只有几个——AT-TPC几乎是目前唯一能在合理时间内积累足够数据的工具。
JENSA气喷靶提供了另一种解法。它把气体高速喷成一条细线，密度比普通气体靶高几个量级，但纯度极高——没有固体靶里的碳和氧杂质。这对(p,d)或(α,α')之类的反应特别重要，因为杂质反应的产物会跟信号混在一起。
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敲出反应的另一个前沿在RIKEN的SAMURAI谱仪上。
RIKEN的放射性核束工厂（RIBF）运行能量比FRIB更高——最高到345 MeV/u。在这个能量下，(p,2p)和(p,pn)准自由散射成为可能。你用放射性束打液态氢靶，入射核跟质子碰撞，撞飞核里的一个核子，然后同时测量撞出来的核子和剩余核。
SEASTAR项目在过去十年里用MINOS系统——一个液态氢靶加上硅径迹探测器——在SAMURAI上做了一系列准自由散射实验。2026年4月发表在PTEP上的综述（Yoshida和Tanaka）总结了这些成果。核心发现包括：准自由散射在中等质量奇特核中可行，能够提取单中子占据数和轨道角动量；但在深束缚核子上，提取的谱因子仍然偏小——淬灭问题在高能准自由散射中同样存在。
综述还报告了一个新方向：α敲出。不只是敲单个核子，而是敲一个α集团出来。这需要新的反应理论框架——CDCCIA——来处理集团在反应中的传播。α集团在核里到底怎么存在的，是核物理里一个古老的开放问题——碳-12的霍伊尔态就是α集团的典型表现。如果准自由α敲出能直接看到α集团在核内的分布，那将是这个领域的一个突破。
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库仑激发走的是一条更安静的路线，但产出同样扎实。
它的核心优势是"干净"：纯电磁作用，核力不掺和。这让你直接测量电磁跃迁矩阵元——B(E2)、B(E3)、B(E4)——而不用担心理论分析中光学势的不确定度。
ISOLDE/CERN的Miniball阵列是库仑激发的主战场。Miniball是一套高纯锗探测器球，包围在反应点周围，测的是束流核从重靶核旁边飞过时发射的γ射线。ISOLDE能产出数百种放射性核素，加速到10 MeV/u以下——恰好是库仑位垒附近，适合做安全能库仑激发。
2025年12月，ISOLDE的IS708实验报告了对A=144同量异位素的库仑激发测量。钡-144、镧-144、铈-144——同样的质量数，不同的质子数——它们的四极和八极形变被Miniball直接测量。八极形变（梨形）在A~144区域一直是热点，因为这些核如果有静态八极形变，就意味着宇称接近破缺——对搜索原子核电偶极矩（EDM）有深远影响。
2013年，Nature上发表了一篇里程碑论文：用库仑激发在安全能下测量了氡-220和镭-224，证明镭-224有静态八极形变——它是梨形的。这个结果后来被PRL 2020年的更精确测量确认：镭-222和镭-228的E3矩阵元被提取出来，显示了八极集体性在镭同位素链中的演化。2026年2月，ISOLDE的INTC会议报告了Miniball在HIE-ISOLDE升级后的新计划——束流能量从2.8 MeV/u提升到了10 MeV/u，让多步库仑激发成为可能，可以触及更高自旋的态。
库仑激发不只是测形状。它还能测中子皮。2026年4月，一篇arXiv论文研究了钙-48的中子皮——0.144飞米，与CREX实验（0.121±0.035飞米）自洽。库仑芯极化效应增强了中子皮对电磁跃迁的响应，意味着库仑激发数据可以反过来约束中子皮厚度。中子皮又是核状态方程中对称能的关键探针——一条从核形状到中子星结构的因果链。
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从头算（ab initio）方法正在从核结构向核反应进军。
2026年4月，Navratil、Quaglioni等人在arXiv上发表了用NCSMC（无核心壳模型+连续态）处理晕核的综述。NCSMC的核心思想是：把描述束缚态的无核心壳模型（NCSM）基跟描述连续态的聚类基耦合起来，形成一个统一的框架。输入只有手征核力——两体和三体力——不拟合任何反应数据。
他们算了好几个晕核：氦-6（Borromean系统——任意两体子系统都不束缚，但三体束缚）、硼-8（质子晕）、铍-11和碳-15。对碳-15，他们还算了¹⁴C(n,γ)¹⁵C辐射俘获反应——这是天体物理r过程中的一个关键反应率。
NCSMC目前只适用于最轻的核（A≤15）。但它的意义在于：这是第一次，核反应的计算从核力出发，不需要光学势、不需要唯象参数、不需要"猜测"反应机制。你给它核力，它给你截面。如果算出来跟实验不对，那是核力的问题——这就把反应数据变成了核力的检验场。
对称适配无核心壳模型（SA-NCSM）在2026年3月的综述中讨论了它对稳定核和奇特核结构与反应的应用。它的优势是利用核的SU(3)对称性来截断组态空间——不是暴力地截断，而是物理地截断：保留跟集体性相关的低对称性组态。这让计算可以推进到更重的核。
但从头算反应理论还面临一个根本性的困难：反应道中的核-核相互作用需要从相同的核力推导出来——但核力是在核结构计算中优化的，它的行为在核表面和连续态中可能不同。这是结构理论和反应理论之间的"接缝"——目前还没有完全焊上。
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另一个重要的理论工具是CDCC——连续态离散化耦合道方法。它专门处理弱束缚核的破裂反应。
弱束缚核——比如铍-11（一个铍-10核心加一个松散的中子）——打在靶上时，很容易被拆开。中子从核心上剥落，弹核碎成两半。这个过程不能用标准的耦合道方法处理，因为碎片的相对能量是连续的——不是分立的。
CDCC的做法是：把连续态切成很多小段，每一段用一个方形势阱的束缚态来近似——这就是"离散化"。然后让弹核在靶的场里演化，包括弹性道和所有离散化的破裂道之间的耦合。计算量不小，但物理是干净的。
2025年4月，一篇发表在Chinese Physics C上的论文用量子-准经典方法研究了铍-11在碳靶上的破裂，覆盖了5到67 MeV/u的宽能量范围。他们同时处理了核心激发和晕中子的连续态，发现在低能下核心激发对破裂截面的贡献不可忽略——这意味着简单的两体（核心+中子）模型在低能下是不够的。
破裂反应跟库仑激发有一个有趣的交叉：在重靶上，弱束缚核的库仑破裂——被靶核的电场撕裂——和核破裂——被靶核的核力撕裂——会同时发生。在安全能下，只有库仑破裂，信号干净。但在稍高的能量下，两者都来，需要CDCC把两种机制分开。这对正确提取晕核的B(E1)分布至关重要——而B(E1)又直接告诉我们晕中子的轨道半径。
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2026年11月，第13届"奇特核束直接反应"国际会议（DREB2026）将在深圳举行。这是该系列会议第一次在中国办。
DREB系列从2001年开始，每两年一次，是直接核反应领域最重要的国际会议。2026年放在中国，不是偶然。中科院近代物理研究所的HIAF在2025年10月完成了全线束流贯通调试。HIAF的束流强度和能量精度将达到世界领先水平，为直接反应实验提供新的平台。北京大学在协变密度泛函理论和从头算方面有深厚积累，中科院近物所在核质量和直接反应方面有丰富的实验经验。
北京航空航天大学的孙业磊组在敲出反应理论上做了原创性工作：他们用C/Be靶的系列单核子移除反应，发现核子-核子关联强烈依赖于质子和中子费米面的不对称性。但这种依赖性在低能单核子转移反应中以及更高能量下的准自由敲出中消失——暗示不同反应机制对同一个核性质有不同的灵敏度。这是一个值得深思的结果：你用什么探针，决定了你能看到什么。
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回到那个二十年的老问题：谱因子淬灭。
现在有三条线索在汇合。
第一，芯屏蔽效应说：深束缚核子被芯的密度挡着，波函数在核内被压制，所以敲出来看到的截面偏小。
第二，DOM说：淬灭跟高动量核子含量增加是同一枚硬币的两面——谱因子减小的量被转移到了高动量区。色散关系保证能量守恒和粒子数守恒。
第三，动力学修正说：探针不只是跟被敲的核子说话，还跟周围的核子说话。这些"额外对话"偷走了一部分截面，让谱因子看起来偏小。
三条线索指向同一个方向：谱因子不是一个纯结构的量——它跟反应过程纠缠在一起。你测量到的"谱因子"，实际上是核结构和反应动力学的混合物。把它们剥开，需要更好的反应理论——或者，更诚实地承认：从反应数据提取的谱因子，始终带着反应探针的"指纹"。
但这个认识本身是进步。二十年前的困境是"理论说0.8，实验说0.5，谁错了？"。现在的理解更细微：理论说的0.8也许是对的，但实验测到的0.5也是对的——因为实验测到的不是一个纯结构量，而是结构量跟反应动力学的卷积。要解开这个卷积，需要知道反应动力学的细节——而这正是DOM、CDCC、NCSMC这些方法在做的事。
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直接核反应走到今天，已经远不只是"打一枪看看打中了什么"。
转移反应用氘核给核加一个中子，读出轨道的量子数和占据概率。敲出反应用碳靶或质子把核子撞出来，看它的动量分布和谱因子。库仑激发用重核的电磁场拨弄核的形状，测出四极和八极形变。
但所有这些探针都面临同一个根本性的挑战：你看到的不是核本身，而是核跟探针的对话。对话的内容取决于你说什么话——用的是氘核还是质子，是高能还是低能，是长程的电磁力还是短程的核力。不同的探针给出不同的谱因子，不同的反应理论给出不同的解读。
这不是悲观。这是诚实。诚实的下一步是：把反应动力学搞得足够清楚，让核结构的信息能从对话中准确地提取出来。DOM正在把散射和束缚态的数据统一在一个自洽的势里。NCSMC正在从核力出发直接算反应截面。CDCC正在把破裂动力学的每一个细节都算进去。芯屏蔽效应和动力学修正正在修正我们对谱因子淬灭的理解。
2026年的DREB会议将把这些线索聚在一起。FRIB的铀束已经达到了20 kW——更多的放射性核束、更稀有的同位素、更精密的直接反应测量正在路上。HIAF的环形谱仪已经完成了首个实验——中国的核反应实验能力正在快速追赶。ISOLDE的Miniball在HIE升级后能做更复杂的多步库仑激发。RIKEN的SAMURAI和MINOS继续在准自由散射的最前沿产出数据。
直接核反应的刀，正在被重新磨利。卷了二十年的刃，也许快要恢复了。
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关键时间线
| 时间 | 事件 | 来源 |
|---|---|---|
| 1952 | 张伯伦和塞格雷首次观测准自由敲出Li(p,2p) | Phys. Rev. |
| 1960s | Satchter提出"直接核反应"概念 | Phys. Rev. |
| 1985 | Tanihata等发现晕核Li-11 | PRL |
| 1990s | CDCC方法发展用于破裂反应 | PRC/PLB |
| 2013 | ISOLDE库仑激发证实Ra-224梨形八极形变 | Nature |
| 2017 | MINOS系统在RIKEN开始SEASTAR实验 | RIKEN Nishina Center |
| 2019 | DOM非局域势框架建立 | PRC |
| 2020 | Ra同位素E3矩阵元精确测量 | PRL 124, 042503 |
| 2022.05 | FRIB开始运行，SOLARIS投入使用 | MSU |
| 2023.11 | PRL：转移与敲出谱因子一致性分析 | PRL 131, 212503 |
| 2024.10 | DOM综述：Ca-40和Ca-48敲出反应 | Frontiers / arXiv:2410.09287 |
| 2024.12 | RIKEN准自由敲出综述（Yoshida & Tanaka） | arXiv:2412.16649 / PTEP |
| 2025.01 | 芯屏蔽效应解释谱因子淬灭（李诗昌、裴俊琛、庞丹阳） | arXiv:2501.15909 |
| 2025.03 | AT-TPC直接反应实验综述 | Front. Phys. |
| 2025.06 | Frontiers"直接反应现代进展"研究专题（10篇文章） | Front. Phys. |
| 2025.10 | HIAF全线束流贯通调试 | 中科院近物所 |
| 2025.12 | ISOLDE IS708：A=144同量异位素库仑激发 | ISOLDE INTC |
| 2026.02 | 芯屏蔽效应正式发表 | Sci. China-Phys. Mech. Astron. |
| 2026.02 | 谱因子淬灭的动力学起源 | arXiv:2602.12690 |
| 2026.03 | SA-NCSM核反应综述 | J. Phys. G |
| 2026.04 | NCSMC晕核从头算综述（Navratil等） | arXiv:2604.02612 |
| 2026.04 | ¹¹Be(d,p)转移反应：AT-TPC + SOLARIS首次耦合 | arXiv:2604.13766 |
| 2026.04 | Ca-48中子皮约束与库仑芯极化 | arXiv:2604.17685 |
| 2026.11 | DREB2026第13届奇特核束直接反应会议（深圳） | IMP CAS |