重离子碰撞中同位旋自由度输运和对称能约束

重离子核反应是地面实验室研究核物质状态方程的有效手段。当核物质体系 (包括原子核) 中的中子和质子数目差异很大时,核物质状态方程中除了对称核物质贡献之外,对称能项的贡献逐渐变得重要。它反映了核子相互作用势的同位旋矢量部分,与致密星体的性质和恒星核合成等天体物理基本问题,以及远离β稳定线原子核的奇异性质与核素图边界等核物理前沿问题,都紧密相关。然而,迄今为止,对称能对密度的依赖行为尚未很精确地约束。因此,对称能的研究成为当前国际上主要的中能核物理实验室和天体观测装置的主要物理目标之一。本文简单评述了这一领域的实验进展,并介绍了基于国内的大科学装置,即兰州重离子研究装置(HIRFL)开展费米能区重离子反应与对称能实验研究的一些进展。实验结果表明,这一能区的同位旋自由度输运时标和具体的物理过程相关,同位旋漂移效应可能持续到反应晚期。由于同位旋效应的长时间积累,轻粒子同位旋的角度分布可以用来约束对称能的密度依赖,在饱和点附近对称能值为$ S\!=\!28.3 $ MeV的条件下,其斜率参数约束在$L\!=\!33\!\sim\! 61\,\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}$的区间,置信度水平为95%。借助一套具有裂变碎片和带电粒子符合测量能力的高性能重离子反应测量谱仪,可以测量具有同位素分辨的带电粒子小角关联函数,从而给出费米能区重离子反应中同位旋驰豫的时标。最后,介绍了氘核的同位旋矢量极化效应,该效应可能提供一种全新的约束对称能密度依赖的途径。     

核对称能实验得到最新的π介子数据和对称能约束

正中子星并合事件GW170817重新点燃了人们对中子星性质研究的广泛兴趣。由于中子星内部的质子和中子的数量极不对称性,核对称能项对中子星内部的物质状态方程有重要贡献。重离子碰撞是地面实验室唯一能产生高密核物质并研究核状态方程的手段。在亚Ge V/u的重离子碰撞中,π介子主要来自弹靶重叠的高密区,其产额比M(π-)/M(π+)与高密区的中子、质子密度比ρn/ρp直接关联,而后者受对称能的密度依赖性质所影响。实验上,可通过测量两种介子的总产额比和微分产额比来研究高密区的核对称能。     

中子星中质子比例的密度依赖

利用Hartree-Fock理论,基于扩展的Skyrme有效相互作用,采用抛物线近似下对称能的密度相关形式以及β平衡和电中性条件,给出了中子星中质子比例的密度依赖关系.通过比较不同的势参数SII,SIII,SKM和SKI5下对称能强度系数的密度依赖关系研究了中子星中的质子比例,发现在高密时势参数SII,SIII和SKM能够给出中子星中质子消失的结果,这预示着致密核物质可能存在纯中子物质的基态.同时计算表明,考虑中子星中μ^－子的贡献后使质子比例增加.     

利用非对称核物质状态方程对中子星的质量和半径的研究

在温度、密度及同位旋相关的核物质状态方程的基础上,通过求解Tol-man-Oppenheimer?Volkoff方程得到了中子星的质量与中心密度的关系,发现随着中心密度的变化,中子星存在一个最大质量.同时计算结果表明,中子星的最大质量与核物质状态方程的不可压缩系数、有效质量及对称能强度系数等密切相关.对中子星半径的研究表明,较硬的核物质状态方程给出的中子星半径较大,而且较大的对称能强度系数和较大的核子有效质量也会给出较大的中子星半径.     

基于有限核性质确定核物质对称能的密度依赖性

密度依赖的对称能作为核物质状态方程的同位旋相关部分,是当前核物理和天体物理两个领域共同关注的重要热点问题之一。人们在实验和理论两方面对此进行了大量的探索,然而由于问题的困难性,对其研究尚未达成共识。目前,研究对称能的方法有很多,其中包括微观和唯像核多体理论、重离子碰撞、原子核的巨共振等。近年来,低密对称能的研究已经取得了重要进展。本文综述了利用有限核的信息来约束核物质对称能的密度依赖性方面的研究工作,这一研究途径尽可能地降低了理论分析的模型依赖性。研究表明,208Pb对称能(系数)asym(A)等于参考密度ρA=0.55ρ0处的核物质对称能(系数)。这个关系将有限核与核物质的对称能联系了起来,借此可以探究亚饱和密度核物质对称能的密度依赖性,因此核心目标是准确确定208Pb对称能(系数)。我们通过重核β-衰变能和质量差来提取208Pb对称能(系数),进而约束亚饱和密度下核物质对称能的密度依赖行为。     

基于中能重离子碰撞研究高密对称能

用于描述核物质中子质子单粒子能量之差的对称能,最近20年得到了核物理学界的广泛关注。在饱和核密度附近,对称能的数值及斜率基本得到约束,然而其高密行为至今仍具有很大的不确定性。当前,探测对称能的研究计划正在世界范围内能够提供放射性束流的实验室展开。伴随着对称能相关实验的规划、进行,发展更加先进的同位旋依赖的输运理论模型变得非常必要。我们将核子-核子短程关联及介质中同位旋依赖的重子-重子非弹性散射截面等研究的新进展融入到了同位旋依赖的输运模型里面;探索了新的敏感于高密对称能的可观测量,比如挤出核子的中质比、光子、轻碎片,以及包含奇异隐奇异夸克的介子产生等;提出了高密对称能探测盲点的问题并给出解决办法;对于常见的对称能敏感观测量的模型预言的不确定性进行了彻底细致的研究;提出采用定性观测量,比如高能出射粒子的中质比,将高密对称能进行定性约束;率先提出并研究了对称能敏感观测量的探测密度区间问题,指出对称能敏感观测量的探测密度往往小于核反应最大压缩密度;发现核子-核子短程关联明显削弱观测量的对称能效应;考虑到饱和点处对称能斜率的约束范围,基于输运模型,提出通过探测对称能的曲率来约束高密对称能。除了利用重离子碰撞约束高密对称能之外,人们也可以通过与中子星相关的大量天体观测来间接约束高密对称能。     

基于中能重离子碰撞研究高密对称能（英文）

用于描述核物质中子质子单粒子能量之差的对称能,最近20年得到了核物理学界的广泛关注。在饱和核密度附近,对称能的数值及斜率基本得到约束,然而其高密行为至今仍具有很大的不确定性。当前,探测对称能的研究计划正在世界范围内能够提供放射性束流的实验室展开。伴随着对称能相关实验的规划、进行,发展更加先进的同位旋依赖的输运理论模型变得非常必要。我们将核子-核子短程关联及介质中同位旋依赖的重子-重子非弹性散射截面等研究的新进展融入到了同位旋依赖的输运模型里面;探索了新的敏感于高密对称能的可观测量,比如挤出核子的中质比、光子、轻碎片,以及包含奇异隐奇异夸克的介子产生等;提出了高密对称能探测盲点的问题并给出解决办法;对于常见的对称能敏感观测量的模型预言的不确定性进行了彻底细致的研究;提出采用定性观测量,比如高能出射粒子的中质比,将高密对称能进行定性约束;率先提出并研究了对称能敏感观测量的探测密度区间问题,指出对称能敏感观测量的探测密度往往小于核反应最大压缩密度;发现核子-核子短程关联明显削弱观测量的对称能效应;考虑到饱和点处对称能斜率的约束范围,基于输运模型,提出通过探测对称能的曲率来约束高密对称能。除了利用重离子碰撞约束高密对称能之外,人们也可以通过与中子星相关的大量天体观测来间接约束高密对称能。     

核物质的物态方程

本文述评了核物质物态方程的问题和现状，及其在当前核物理研究中的地位．着重评述了核物质的压缩系数问题，以及液气相变和临界温度问题，这都是当前相对论性重离子碰撞和核天体物理研究的热点．     

中子星内部结构

中子星是宇宙中一类极端致密的天体,其平均密度超过饱和核物质密度。对这类天体的研究,可以帮助人们了解极端条件下的物理性质,特别是深化关于引力和强力的认识。文章介绍了脉冲星和中子星的概念,并重点阐述了中子星内部结构的不同模型,以及如何通过最大质量和潮汐形变量等观测来检验这些模型。未来发现更多的双中子星并合或中子星黑洞并合事件,有望最终揭开中子星内部结构之谜。     

核物质和夸克物质的对称能（英文）

对称能表征了同位旋非对称强相互作用物质状态方程的同位旋相关部分,它对于理解核物理和天体物理中的许多问题有重要意义。简要总结了关于核物质和夸克物质对称能研究的最新进展。对于核物质对称能,通过对核结构,核反应以及中子星的研究,目前对其亚饱和密度的行为已有比较清楚的认识,同时,对饱和密度附近对称能的约束也取得了很好的研究进展。但如何确定核物质对称能的高密行为仍然是一个挑战。另一方面,在极端高重子数密度条件下,强相互作用物质将以退禁闭的夸克物质状态存在。同位旋非对称夸克物质可能存在于致密星内部,也可能产生于极端相对论重离子碰撞中。对最近关于夸克物质对称能对夸克星性质的影响以及重夸克星的存在对夸克物质对称能的约束的研究工作进行了介绍,结果表明同位旋非对称夸克物质中上夸克和下夸克可能感受到很不一样的相互作用,这对于研究极端相对论重离子碰撞中部分子动力学的同位旋效应有重要启发。The symmetry energy characterizes the isospin dependent part of the equation of state of isospin asymmetric strong interaction matter and it plays a critical role in many issues of nuclear physics and astrophysics. In this talk, we briefly review the current status on the determination of the symmetry energy in nucleon (nuclear) and quark matter. For nuclear matter, while the subsaturation density behaviors of the symmetry energy are relatively well-determined and significant progress has been made on the symmetry energy around saturation density, the determination of the suprasaturation density behaviors of the symmetry energy remains a big challenge. For quark matter, which is expected to appear in dense matter at high baryon densities, we briefly review the recent work about the effects of quark matter symmetry energy on the properties of quark stars and the constraint of possible existence of heavy quark stars on quark matter symmetry energy. The results indicate that the u and d quarks could feel very different interactions in isospin asymmetric quark matter, which may have important implications on the isospin effects of partonic dynamics in relativistic heavy-ion collisions.     

山东大学(威海)开展的核物理研究

综述了山东大学威海校区原子核物理研究团队在原子核精细谱学、核天体物理、探测器研制和高能核物理等方向开展的研究工作及最新进展;尤其重点介绍了$A\sim 110$核区原子核的形状共存和带交叉延迟,“订书机”和“雨伞”模式转动带,碳氮氧循环过程中关键核反应的测量进展,中子星参数化的状态方程及双中子星并合引力波研究,带电粒子探测器的设计与制作,相对论重离子碰撞物理中量子输运理论和高阶反常输运等研究工作,并展望了下一步的工作重点。     

利用BUU模型研究11Li的核反应总截面和双中子剥去截面

发展了BUU模型,能够同时研究双中子晕结构核¹¹Li引起反应的核反应总截面和双中子剥去截面,计算中使用软的核物质状态方程和0.8倍的核子–核子碰撞截面,同时还用相对论平均场模型计算的中子和质子密度代替通常使用的方密度分布,计算结果可以很好地拟合不同反应系统的实验数据,假定对于晕核及其核芯核,彼此的核反应总截面与相互作用截面之间的差别相同,那么¹¹Li的双中子剥去截面可以表示成”Li及其核芯核⁹Li引起反应的核反应总截面之差,研究结果表明这一假定可以适用于高能,对于中能核反应需要更多的实验数据来检验.     

中子星物质中的K介子凝聚与三体核力效应

利用Brueckner-Hartree-Fock方法，计算了β稳定中子星物质的状态方程以及三体核力的影响，特别是研究了三体核力对中子星物质中K介子凝聚的影响. 结果表明三体核力对β稳定中子星物质中出现K介子凝聚的临界密度以及中子星物质中各种粒子所占的比例均有重要影响. 三体核力的主要作用是降低了中子星物质中出现K介子凝聚的临界密度并使K凝聚相中的核物质更加接近于对称核物质.     

中子星的转动惯量与表面红移的研究

在温度、密度及同位旋相关的核物质状态方程的基础上,通过求解Tolman–Oppenheimer–Volkoff方程,得到了中子星的转动惯量与表面红移.计算结果表明,中子星的转动惯量较强地依赖于核物质的不可压缩系数与对称能强度系数,而对核子有效质量不太敏感;中子星的表面红移却对对称能强度系数不太敏感,而较强地依赖于不可压缩系数与核子有效质量.     

利用深度学习方法研究核物质状态方程

对核物质状态方程的研究将有助于人们更好地了解原子核的性质以及宇宙和星体的演化过程等基本问题。重离子碰撞能产生高温高密核物质,利用输运模型的模拟结合相关实验数据的比较是研究核物质状态方程最常用方法之一。本文利用深度学习中的卷积神经元网络(CNN)方法对不同核物质状态方程给出的末态质子横动量和快度分布进行学习,使神经元网络具有从末态粒子信息来判断核物质状态方程软硬的能力。利用预测差异分析方法(Prediction Different Analysis),可以找到横动量和快度分布中对状态方程最敏感的区域。此外,还测试了一种基于决策树的梯度提升算法(LightGBM),发现得到的准确度和CNN方法类似。     

中子星可观测量与不同密度段核物质状态方程的关联

中子星物质主要是由高密度非对称核物质组成.目前通过地面重离子碰撞等实验来认识高密度非对称核物质的物态还存在很大的不确定性.随着对中子星天文观测精度的提高以及可观测量的增多,基于对中子星的天文观测来反向约束高密度非对称核物质物态成为了可能.从理论上去探讨中子星的可观测量与不同密度段物态方程的关联程度,将有助于上述反向对中...     

新生中子星的性质与三体核力效应

在Brueckner-Hartree-Fock理论框架内, 研究了新生中子星的状态方程和性质, 计算了新生中子星的最大质量和新生中子星中质子占总核子数的丰度, 特别是讨论了三体核力和中微子束缚效应的影响以及三体核力和中微子束缚效应的相互影响. 结果表明, 无论是否考虑三体核力, 中微子束缚对新生中子星的状态方程和质子丰度均有明显影响. 中微子束缚导致新生中子星物质中的质子丰度显著增大. 三体核力的贡献是使新生中子星的状态方程变硬并导致新生中子星中质子丰度明显增大. 束缚在中子星物质中的中微子显著减弱了三体核力对于中子星物质中质子丰度的影响.     

低SIS能区重离子碰撞过程的系统性研究

在极端相对论量子分子动力学(UrQMD)模型中加入势能密度泛函形式的势修正、核子-核子弹性散射截面的更细致的介质修正以及碎片重构模式中的同位旋效应后,重点研究低SIS能区(约40～400 MeV/u)重离子碰撞的动力学过程。在较系统地研究此能区重离子碰撞后的轻碎片产生及集体流后,重点研究对高密区对称能密度依赖敏感的观测量。发现:(1)质量对称的Sn系列同位素反应系统,其中子平衡能的系统N/Z分布能敏感探测对称能密度依赖;(2)横速度/动量分布的中子和质子及氢同位素的椭圆流比vn2/vp,H2敏感依赖于对称能。经采用多组核物质标量不可压缩系数K0值差别很小、对称能斜率参数L值相差较大的Skyrme势参数计算并对FOPI/LAND相应数据做χ2分析后抽取的L值为(89±45)MeV。     

非对称核物质中同位旋对称势的动量和密度依赖性

在Brueckner-Hartree-Fock理论框架内, 研究了同位旋非对称核物质中质子和中子单粒子势的动量相关性及其随同位旋非对称度的变化, 在此基础上计算了同位旋对称势, 并讨论了三体核力的影响. 结果表明同位旋对称势对于同位旋非对称度的依赖性很弱, 但对于动量和密度均有较强的依赖性. 当密度固定时, 同位旋对称势随动量增加而减小. 尽管三体核力对于质子和中子单粒子势的动量相关性有较大影响, 但对同位旋对称势的影响很小. 还与目前重离子碰撞输运理论模型中所使用的各种参数化的唯象对称势进行了比较.     

万亿摄氏度下烹煮夸克汤：核物质相结构和量子色动力学相变临界点的实验研究

高温高密核物质相结构是核物理研究领域的热点和前沿。量子色动力学(QCD)相变临界点的实验确认将是探索核物质相结构的里程碑,具有重要科学意义。为了在这一具有潜在重大发现的研究方向上占据领先地位、取得突破,各国纷纷建造大型加速器以及粒子探测器,开展重离子碰撞实验,其主要目标就是从实验上探索高温高密核物质相结构、寻找QCD相变临界点。文章总结了近年来相对论重离子碰撞中核物质相结构及QCD临界点的实验研究进展,并对未来探索高重子密度区核物质相结构、寻找QCD临界点的重要实验装置做了展望。