西蓝花（Brassica oleracea var. italica）是我国重要的蔬菜作物之一，其种子主要源于进口，亟需开发属于我国的创新型品种。为探究高能重离子束对西蓝花的当代生物学效应，本研究采用碳离子束辐照西蓝花种子，检测其幼苗期的生长指标、抗氧化酶活性、光合指标和叶绿素荧光等参数。结果表明：100~500 Gy的辐照对种子的萌发没有显著影响，600 Gy显著抑制其萌发。100~600 Gy辐照后根长、芽长、苗高、叶面积总体上随剂量增加而降低。碳离子束辐照西蓝花的半致死剂量（Median lethal dose，LD50）为415.89 Gy，使根长减半的剂量为495.12 Gy。辐照后幼苗的超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）和过氧化物酶（Peroxidase，POD）活性均高于对照，过氧化氢酶（Catalase，CAT）的活性低于对照，400 Gy辐照后丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量显著升高。随吸收剂量的增加光合色素（叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素）呈现先升高再降低的趋势，最高值出现在300 Gy处。净光合作用、蒸腾速率和气孔导度均与吸收剂量负相关，辐照后非光合淬灭系数显著升高。结果表明，重离子束辐照抑制了西蓝花植株的生长，影响了抗氧化酶活性和光合作用。本研究为西蓝花的重离子束辐照诱变育种提供了基础数据。

本文概述了中高能重离子碰撞奇异粒子产生动力学机制和超核实验测量和理论研究进展。基于量子分子动力学（Lanzhou Quantum Molecular Dynamics model，LQMD）输运模型，即引入Skyrme能量密度泛函和相对论协变密度泛函描述核子和共振态动力学演化，考虑介子-核子和超子-核子相互作用势和阈能修正效应。以反应系统¹²C+¹²C、⁴⁰Ca+⁴⁰Ca、¹¹²Sn+¹¹²Sn和¹⁹⁷Au+¹⁹⁷Au为例，研究了阈能附近K介子、Kˉ介子和超子（Λ、Σ、Ξ）产生机制并分析了核介质效应和高密区域对称能对同位旋粒子比值的影响。基于量子并合方法构造超核并研究了超核形成相空间分布，给出超核形成的质量数、电荷数、动能、快度分布、集体流等信息。引入两体、三体、四体核子碰撞和核结构效应分析了重离子碰撞中预平衡结团发射机制。介绍了考虑同位旋矢量介子ρ和δ耦合相对论协变的量子分子动力学输运模型。

椭圆流（v₂）是利用重离子碰撞探究核物质性质最重要的观测量之一，它的大小除了受到动力学过程的影响外，还与初态核子的费米动量有关。基于极端相对论量子分子动力学（Ultrarelativistic Quantum Molecular Dynamics，UrQMD）模型，通过反向追踪反应末态处在中心快度区（|y₀|<0.1）的核子的v₂随时间的演化过程。探究初始时无费米动量、有费米动量和有一半费米动量对v₂演化的影响。以束流能量为0.4A GeV和0.8A GeV、碰撞参数为6 fm的金与金（Au+Au）碰撞为例，计算结果表明有费米动量时中心快度区的核子数远多于无费米动量的情况，这是由于不考虑费米动量时，核子-核子碰撞数目减少而导致。而v₂却表现出相反的效应，不考虑费米动量时的v₂更大，因为旁观核子有更强的阻止效应。这表明核子动量的初始化需要在输运模型中细致考虑。

重离子束辐射能引发细胞DNA双链断裂，被认为是构成基因组不稳定因素之一。现有研究表明：同源末端连接、同源重组、单链退火和选择性末端连接在修复DNA双链断裂方面发挥着重要的作用，但是影响DNA双链断裂修复途径选择的因素目前仍不清楚。本文对近年重离子辐射细胞产生的DNA损伤特征和修复途径方面的新发现进行了综述，并从类型和分布、染色质状态、DNA末端结构、DNA末端切除、细胞周期方面解释了细胞DNA双链断裂修复途径的选择机制。这对细胞DNA损伤修复的研究具有重要意义，为重离子辐射技术在生物学效应研究方面提供了参考。

治疗室与其机器人是重离子治疗装置（HIMM）精准治疗系统的重要组成部分，为了提升重离子放疗过程中患者摆位的精度和效率，研究一种使用激光跟踪仪和其配套软件SA将运载治疗床的机器人基座坐标系与治疗室坐标系统一的方法，通过图形拟合的方法确定了标定点在法兰盘坐标系中的坐标；通过数学模型的搭建完成了机器人法兰盘坐标系和基座标系之间的坐标变换；利用SA软件中最佳拟合算法求出了治疗室坐标系与机器人坐标系之间的变换矩阵，完成了坐标系的统一。在HIMM中的实际应用表明，坐标系的统一方法的使用不但简化了标定点在法兰盘中心坐标系中坐标的标定，简化了法兰盘中心坐标系和基座标系转换的计算过程，而且标定精度良好、效率更高，更加符合重离子精准治疗系统及其他工业应用。

高能重离子碰撞将夸克和胶子从原子核中释放出来，形成一种新的核物质形态，即解禁闭的夸克胶子等离子体（Quark-Gluon Plasma，QGP）。研究普通核物质或强子共振气体到夸克胶子等离子体的相变，需要在超级计算机上数值求解格点量子色动力学（Quantum Chromodynamics，QCD）。但是，格点QCD只能给出零重子化学势以及附近可泰勒展开区域的核物质状态方程，并预测这种条件下QGP到强子共振气体之间的相变为平滑过渡。在不能做泰勒展开的有限重子化学势区域，格点QCD会遭遇著名的符号问题，无法给出有效的核物质状态方程以及QCD相变类型。本文综述了利用机器学习在核物质状态方程、相变分类以及临界点寻找方面的研究。这些研究大致分为两类：第一类在高能重离子碰撞实验数据以及相对论流体力学模拟和分子动力学模拟中，利用核碰撞末态粒子分布来确定核物质状态方程以及相变种类；另一类是利用机器学习直接帮助格点QCD的采样，解决有限密系统中的符号问题。

寻找量子色动力学（Quantum Chromodynamics，QCD）相变信号是当前重离子碰撞实验的一个基础科学目标，对理解强相互作用物质的性质、大爆炸初期的宇宙演化、超新星的爆发机制、致密星的内部结构以及双中子星并合产生的引力波等重要前沿问题都具有重要意义。当重离子碰撞中发生非连续QCD相变时，引发的强相互作用物质的密度涨落与关联可以通过轻原子核的产额观察量来探测。核子间的多体关联决定了重离子碰撞中轻核的产额。特别地，基于核子并合模型对于轻核产额的计算表明质子（p）、氘核（d）和氚核（t）的产额比值NtNp/Nd2敏感于核子密度涨落与关联，是一个较好的寻找QCD相变信号的可观测量。进一步，基于输运模型对于重离子碰撞中的手征相变的模拟发现，当系统的相轨迹经过一阶相变区域时，轻核产额比值NtNp/Nd2有明显增加。这些结果为利用重离子碰撞中的轻核产生寻找QCD相变提供了理论依据。

强作用物质相结构的研究是核物理里一个非常活跃的前沿领域，对于理解相对论重离子碰撞实验和中子星观测有重要意义。传统的相结构研究集中于高温度和高密度所带来的物性变化，特别是相关的相变过程，比如手征恢复相变、色超导相变等。近年的实验和理论研究表明，非对心重离子碰撞系统携带很大的初始角动量从而产生极强的流体涡旋场。这带来了涡旋场中的强作用物质性质的一系列重要问题，对它们的探索产生了许多新颖结果。特别是在强作用物质相变方面，基于转动参考系的热场计算得到了发展，并结合平均场近似对相关的手征相变、色超导相变、高同位旋下的超流相变等现象作了深入研究，发现了涡旋场对相边界的影响以及其所带来的丰富相结构。

能量扫描理论合作组（Beam Energy Scan Theory Collaboration，BEST）的目标是建立一个可以描述美国相对论重离子对撞机（Relativistic Heavy-Ion Collider，RHIC）上第二期能量扫描实验的动力学框架。该实验有可能找到强相互作用相图上的临界点。本文总结自2016年起，BEST合作组取得重要进展，并对未来探索中高密度区相图做了展望。

为了从相对论重离子碰撞实验确定量子色动力学（Quantum Chromo-dynamics，QCD）所预言的相变临界点和相边界，必须考虑实验数据中非临界涨落、有限系统尺度、有限演化时间的影响。本文综述了这三方面工作的主要内容、结果和意义。对于非临界涨落，主要讨论了由于有限事件数对观察量测量的影响，估计了在相对论重离子对撞机（Relativistic Heavy-Ion Collider，RHIC）能量扫描区，精确测量高阶守恒荷高阶矩所需要的事件数。提出用泊松分布描述有限末态粒子数所致的统计涨落，将统计涨落和实验结果比较，发现统计涨落贡献为主，必须扣除泊松主导的统计涨落。提出混合事件方法，定义动力学累积矩为原始样本的累积矩减去混合样本的累积矩，利用多相输运模型（A Multiphase Transport Model，AMPT）的default模型重建了一个与之相对应的混合事件样本，结果表明：动力学累积矩确实能很好地扣除泊松样的统计涨落，尤其是中心度bin宽度和探测器效率的影响。对于有限系统尺度的影响，利用三维三态Potts模型研究了各种有限系统尺度下，它的磁化强度的高阶感应率在一级相变、临界点，以及平滑过渡区域的行为。发现在固定外场，穿越相边界的时候，从二阶到六阶磁化率都会出现非单调行为，或符号的变化，而且在三个相变区域，非单调行为类似。因此，仅从非单调行为不能区分不同级数的相变。进一步研究了磁化率的有限尺度标度行为，它们的标度指数在不同级数相变中是不一样的，可以区分不同级数的相变。根据观测量的有限尺度标度性，给出了用固定点确定临界参数的定量方法，并将该方法应用到三维三态Potts模型模拟产生的数据分析，展示了方法的精确有效性。对于非平衡演化的影响，采用Metropolis算法模拟了三维Ising模型在临界点附近从非平衡到平衡的演化过程。发现其序参量在演变过程中以指数形式趋近其平衡值，这与动力学朗之万方程给出的结果相同。临界温度下的平均弛豫时间随系统尺度的z次幂发散，表明它能很好地表示动力学方程中的弛豫时间。非平衡演化过程中序参量的三阶矩和四阶矩会出现正、负值震荡，符号取决于观测时间，结果与平滑过渡区动力学模型一致。研究还发现，在平滑过渡区，非平衡演化持续时间非常短，非平衡对观察量的影响非常弱；但是在一级相变线上，非平衡弛豫的时间非常长，非平衡豫影响不可忽略。这些定性特征对实验确定QCD的临界点和相边界具有重要的指导意义。