一、學科點介紹
粒子化學與原子核化學是基礎數學研究的前沿學科。它以國外外的小型高能化學與核化學實驗裝置為依托，從理論和實驗上研究物質最基本的構成、性質及其互相作用的規律。它與宇宙學和天體化學有著緊密的學科交叉，共同闡明時間和空間的深刻內涵，探求天體演變過程和宇宙元素起源。該學科的發展也將對國防、能源、醫療和信息科學等領域的發展起重要的促進作用。
本學科培養具有家國情結、社會責任心和求實進取精神，養成嚴謹求實的科學心態與作風，具備堅實廣闊的理論基礎和系統深入的專業知識，把握科學研究的基本技巧與邏輯，擁有剖析與解決問題能力、理論與實踐結合能力的研究性或應用性專業人才。本學科培養的碩士要求了解并把握相關學科歷史、現狀與發展趨勢，在某一方向舉辦了一定的研究，能承當相關高校、科研院所及高科技企業的教學、研究及開發與管理工作；培養的博士要求具有堅實廣闊的學科理論基礎，才能深入了解學科的現況和發展方向，并能對個別重要的前沿課題獨立舉辦頗具創造性的實驗或理論研究工作，能勝任高等中學、科研院所及高科技企業的教學、科學研究及開發與管理工作。
二、學科點研究方向
研究方向1：原子核結構
導師團隊：龍文輝(院長碩導)、孫保元(院長碩導)、牛一斐(院長碩導)、陳芳祁(副院長)、馬娜娜(副院長)、王之恒(副院長)。
該方向旨在于發展原子核結構理論或模型，研究介質中核子-核子互相作用，求解強關聯的量子多體問題，因而精確描述與預言原子核的能級與迸發態結構、躍遷與衰變等性質，理解原子核結構現象背后的數學機制。學科的前沿問題主要包括量子多體問題的精確求解、核素圖的邊界是哪些、遠離穩定線核區的獨特現象等粒子物理與原子核物理專業，針對那些前沿問題，團隊主要旨在于以下研究內容：
1.原子核量子多體理論、介質中核子-核子互相作用等
2.原子核能級性質研究、奇特原子核新奇現象與近滴線區化學研究、包含奇特自由度的超核化學研究、機器學習在原子核化學中的應用等
3.原子核震動迸發與轉動迸發研究、原子核的弱互相作用過程（貝塔衰變、電子打動、中微子原子核反應、無中微子雙貝塔衰變）等。
近些年來，團隊取得了若干代表性創新成果，主要包括：
1.構建并發展了了相對論-Fock(RHF)與相對論-Fock-(RHFB)核結構理論模型，實現同位素圖上大部份原子核結構性質的確切描述，闡明了核結構中贗載流子軌道對稱性恢復的新機制，為核力及其介質效應研究提供指導；預言與解釋豐中子原子核中的新奇現象，包括暈現象、氣泡結構和穩定三軸形變等，理論預言被發表在《自然化學》雜志的實驗工作否認。相關工作曾獲教育部自然科學獎銀獎，被《物理評論C》遴選為編輯推薦。
2.基于-Fock-模型構建了趕超無規相位近似的準粒子震動耦合模型，統一描述原子核集體震動的能量與共振長度，并闡明巨共振微觀結構與共振長度起源的微觀機制。基于該理論，進一步估算了原子核的貝塔衰變壽命，將閉殼與半開殼原子核貝塔衰變壽命的描述精度提升1-2個量級，解決了精確描述幻數原子核貝塔衰變壽命的困局。相關工作發表在數學學頂尖刊物《物理評論快報》。
3.基于生成座標方式與角動量投影技術，發展了能否在同一框架下描述形變自由度上的集體迸發與非集體的多準粒子迸發的微觀理論模型。基于該理論研究了形變原子核的低載流子與高載流子迸發態，闡述了集體迸發與非集體迸發模式在形變核低迸發態中所飾演的角色粒子物理與原子核物理專業，闡明了原子核手征模式、搖擺模式、剪刀模式的轉動圖象。相關工作發表在數學學頂尖刊物《物理評論快報》。
4.基于機器學習，將神經網路方式成功引入原子核巨偶極共振、α衰變、原子核質量與貝塔衰變壽命的理論研究，發表了以長沙學院命名的原子核質量表。
研究方向2：核天體化學
導師團隊：牛一斐(院長碩導)、龍文輝(院長碩導)、孫保元(院長碩導)、王之恒(副院長)
該方向是核化學與天體化學的交叉方向，借以借助原子核結構、衰變與反應等性質，理解天體化學中的星體的誕生、演化與衰落、元素起源、致密星系化學等。該方向的前沿問題主要包括：核物質的狀態多項式是哪些，重元素是怎樣起源的，恒星是怎樣爆燃的等。針對這種問題，該方向的導師團隊舉辦了以下研究工作：核物質狀態多項式研究、重元素起源研究、超新星爆發研究、中子星化學等。
近些年來，導師團隊在該方向取得若干代表性創新成果，主要包括：
1.針對奇異原子核中發覺的新集體震動模式——矮偶極共振，首次闡明了矮偶極共振結構同位旋劈裂的微觀機制，給出矮偶極共振硬度與對稱能斜率的關系，并強調在奇異原子核中，因為矮偶極共振的出現，恢復了原子核的電偶極極化率與對稱能斜率良好的線性關系，為萊州度核物質狀態方程提供重要約束。相關工作發表在數學學頂尖刊物《物理評論快報》。
2.重元素起源是21世紀十一大待解謎題之一。快中子打動過程(r-過程)形成了約一半的重元素，其研究仍然是核天體化學的難點。針對r-過程研究所需的核化學輸入量，如質量、貝塔衰變壽命和中子打動率，強調粒子震動耦合效應對于精確描述貝塔衰變壽命的重要作用，以及氣溫效應對天體環境中的中子打動率形成的重要影響。采用r-過程模擬軟件，對r-過程進行動態模擬，研究了原子核裂變性質對太陽系重元素產率分布的影響。
3.基于密度泛函理論，構建了有限體溫的準粒子無規相位近似模型，研究了天體環境下原子核的電子打動率，為超新星爆發模擬提供重要核化學輸入量。
研究方向3：粒子化學
導師團隊成員包括：于福升（院長碩導）、李培榮（青年研究員碩導）、肖棟（青年研究員博導）、劉凱（青年研究員）。
大學粒子化學方向具有從理論研究（于福升）到實驗數據剖析（李培榮、肖棟）再到偵測器硬件（劉凱）的完整團隊。參與了南京正負電子對撞機上的實驗（李培榮、肖棟、劉凱）、歐洲核子中心小型強子對撞機LHCb實驗（劉凱、李培榮）和超級陶粲裝置偵測器的研制（劉凱、李培榮）。李培榮兼任合作組粲重子組召集人。粒子化學研究團隊是一支朝氣蓬勃的研究隊伍，是國外和國際上活躍在重味化學與強子化學研究前沿的一支重要力量。
粒子化學學是研究物質組成的基本粒子及其基本互相作用，以物質的深層次結構及其運動規律為研究目標。因為許多基本粒子在大自然的通常條件下不存在或不單獨出現，化學學家只有使用粒子加速器在高能碰撞的條件下才會形成和研究它們，因而粒子化學學也被稱為高能化學學(high-)。
在2012年Higgs粒子被發覺后，粒子化學標準模型預言的基本粒子全部被發覺，標準模型取得了前所未有的巨大成功。但粒子化學還有許多問題懸而未決，當前粒子化學學主要目標是找尋超出標準模型的新數學和理解強互相作用非微擾性質。在粒子化學的高精度前沿，基于大科學裝置獲取的海量實驗數據舉辦相關的理論與實驗研究工作，將幫助我們解決其中一些重要的問題。
重味化學和強子化學是典型的高精度前沿領域。重味化學研究含重味夸克（粲夸克或底夸克）的介子或重子的形成和衰變性質，探求正反粒子不對稱性（CP破壞）的起源。強子化學研究輕強子譜、重味強子譜，研究四夸克態、五夸克態等獨特強子態的性質。重味化學和強子化學覆蓋從GeV到MeV的能量區間，聯系了微擾與非微擾強互相作用，是研究強互相作用基本理論—量子色動力學（QCD）—的低能非微擾性質的有利場所，對探求物質世界最深層次結構及找尋新數學有重要意義。
近些年來，團隊成員在粒子化學理論和實驗研究方向都作出了有國際影響的工作。主要成果包括：
1.理論預言找尋雙粲重子的最佳過程，指導法國核子中心小型強子對撞機LHCb實驗首次偵測到雙粲重子。“首次偵測到雙粲重子”入選科技部“2017年度中國科學十大進展”，LHCb中國組負責人高原寧教授致謝并評價說“雙粲重子的發覺是理論與實驗結合的標桿”。
2.理論提出因子化輔助的拓撲圖方式，預言粲衰變的CP破壞被LHCb實驗否認。實驗上首次發覺粲衰變CP破壞被評為美國《物理世界》“2019十大突破”，我們的理論預言較實驗發覺早三年，并且是僅有的兩個作出確切預言的工作之一。
3.上海正負電子對撞機實驗上首次精確檢測粲重子
變的絕對分支比。被“歐洲核子中心”專欄宣傳報導，被評為實驗亮點工作。
4.實驗發覺獨特粒子Zcs(3985)，它是四夸克態候選粒子，不同于常規由兩個或三個夸克組成的粒子。被《自然》雜志評論為“開啟物質研究新篇章”。
研究方向4：激光核化學
導師團隊：胡碧濤（院長碩導）、劉作業（院長碩導）、杜洪川（院長碩導）、丁鵬基（青年研究員碩導）、張毅（副院長博導）、沈潔（副院長博導）、薛山（副院長）、王集錦（博導）、孫少華（工程師）等
該方向瞄準激光與物質互相作用領域的前沿課題，有機融合激光技術、原子化學、原子核化學，通過構建核外電子動力學與核過程的聯系，將基于先進激光的偵測技術引入核化學，內容包括原子、分子在激光強場中的迸發、電離、解離動力學，高次紋波和阿秒脈沖的形成及應用，模擬核裂變的激光偵測技術，核躍遷動力學觀測與操控，基于窄帶線寬激光的精密激光核譜儀研發和核裂變及裂變碎片核結構研究等。
近些年來，導師團隊在該方向取得若干代表性創新成果，主要包括：
1.針對微觀粒子超快動力學的完全重建問題，我們提出了附加相位剖析方式，基于瞬態吸收波譜檢測，將體系的動力學演變與吸收波譜線型相關聯，首次在實驗上提取了微觀粒子系統的相位信息，并將工作在兩個空間尺度延展，到大分子、高密度原子以及原子核體系，創新了微觀粒子動力學的重建和操控研究。
2.在中能核化學研究中，通過對光致π0介子形成反應的實驗觀測發覺了在高能區域（小于3GeV）實驗結果與基于擾動量子色動力學的理論模型給出的預測值不符合，且當入射光子能量在5.6GeV附近時反沖質子的轉移極化度份量和誘發極化度份量與入射光子能量和出射π0介子角度有著強烈依賴關系，此現象既是高質量共振態可能存在的旁證，也證明了在此能區強子螺旋性不守恒，pQCD理論不適用。據悉還全面參與了法國杰佛遜國家實驗室核子縱向載流子的化學實驗研究，并在國外剖析提取了不對稱性的實驗結果。除了這么，在新型粒子偵測方面也做了大量的研究工作。
3.將激光超快動力學的研究成果進行轉化應用，研發了針對放射性背景下長壽命放射性同位素快速剖析的激光同位素檢測儀，填補了傳統的放射性射線檢測的劣勢，對現有核偵測體系產生了有效補充。近來，我們基于超快偵測技術，提出了模擬核裂變的超快偵測方案。本項研究在“十三五”、“十四五”期間獲得了國防重點項目的持續支持。
4.高次紋波形成中電離與再結合時刻的精確偵測是阿秒科學研究的重要課題，是有望突破核超快過程偵測的途徑之一。目前高次紋波形成中電離與再結合時刻的偵測主要是通過垂直偏振光的雙色場方式。該方式檢測的電離和再結合時刻與未包含庫侖互相作用的量子軌道模型的結果一致，難以反映庫侖場的影響。針對該問題，我們提出了檢測庫侖場誘導電離時刻偏斜的高頻垂直雙色場方式，并發展了借助傳統垂直偏振光雙色場精確提取電離時刻的理論技巧。
三、相關課程和基礎要求
碩士：
入學前應熟練把握普通化學、四大熱學、高等物理、線性代數、數學化學方式、基本的編程語言與數值估算方式等基礎知識；了解1門計算機編程語言；具有一定的數值剖析與模擬能力；把握一門外粵語，具備一定的據說讀寫能力。
通過碩士期間系統學習后，能把握高等量子力學、群論、原子核化學等基礎知識，具備一定的人文社科知識基礎，熟練把握研究方向相關的專業知識；具備有效獲取各自方向專門知識的方式和能力；熟練把握1門外粵語，具備良好的交流以及專業外文寫作與資料查閱能力。
博士：
入學前應熟練把握普通化學、四大熱學、高等物理、線性代數、數學化學方式、基本的編程語言與數值估算方式、原子核化學等化學學基礎知識以及高等量子力學、高等原子分子化學等相關知識，熟練把握1門計算機編程語言，具有較強的數值剖析與模擬能力；具備良好的外文交流以及專業外文寫作與資料查閱能力。
通過博士期間系統學習后，把握高等量子力學、群論、量子場論、原子核結構等基礎知識，具備較為寬闊的人文社科知識基礎，能靈活把握本研究方向相關的專業知識，具備有效、快速獲取各自方向最新知識的方式和能力；才能跟蹤聚焦本專業學術前沿，具有發覺、分析以及獨立解決問題的能力。