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。     

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。     

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。     

Pentaquark~+的介质效应

在密度相关的相对论平均场理论基础上,假定~+通过交换有效的同位旋标量介子σ和ω与其他重子发生相互作用,研究了强子在包含~+的奇异核物质中的性质改变。讨论并计算了介质中的~+和核子有效质量及其对重子密度的依赖关系,分析了~+在核物质中包含的成分大小以及核子的同位旋效应对奇异核物质性质的影响,进一步计算了不同重子组成比例下奇异核物质的标量密度ρ_S和矢量密度ρ_B的对应曲线。     

Pentaquark Θ+的介质效应

在密度相关的相对论平均场理论基础上, 假定Θ⁺通过交换有效的同位旋标量介子σ和ω与其他重子发生相互作用, 研究了强子在包含Θ⁺的奇异核物质中的性质改变. 讨论并计算了介质中的Θ⁺和核子有效质量及其对重子密度的依赖关系, 分析了Θ⁺在核物质中包含的成分大小以及核子的同位旋效应对奇异核物质性质的影响, 进一步计算了不同重子组成比例下奇异核物质的标量密度ρ_S和矢量密度ρ_B的对应曲线.     

放射性束引起的重离子碰撞中敏感于对称能的几个观测量

利用同位旋与动量相关的强子输运模型，我们研究了放射性束引起的中能重离子碰撞中几个观测量的对称能效应。我们发现自由核子发射的非对称度的快度分布，中快度中－质比的横动量分布，的动能分布，以及同位旋相分化（fractionation）的时间演化都敏感于对称能。     

核物质对称能的高密行为研究

同位旋物理的主要任务之一是通过放射性核束引起的核反应来探索介质中有效核子-核子相互作用的同位旋依赖性,尤其是同位旋相关的核物质状态方程, 即密度依赖的核物质对称能。由于对称能,尤其是其高密行为,对核物理学和天体物理学具有重要意义,密度依赖的对称能在过去10年一直是中能重离子物理研究领域的主要焦点之一。近年来,低密对称能的研究已经取得了重要进展, 而对称能的高密行为仍然很不确定。在理论方面,人们提出了许多对高密对称能敏感的观测量。 实验方面, 关于对称能高密行为研究的实验计划已经展开,世界各地正在建造的放射性核束装置为对称能的高密行为研究提供了新的机遇。基于IBUU输运模型综述了研究对称能高密行为的一些敏感观测量及其最新进展, 以及所面临的挑战与机遇。One of the major tasks of studying isospin physics via heavy ion collisions with neutron rich nuclei, is to explore the isospin dependence of in medium nuclear effective interactions and the equation of state of neutron rich nuclear matter, i.e., the density dependence of nuclear symmetry energy. Because of its great importance for understanding many phenomena in both nuclear physics and astrophysics, the study of the density dependence of nuclear symmetry energy has been the main focus of the intermediate energy heavy ion physics community during the last decade. Nowadays significant progress has been achieved in studying the low density behavior of nuclear symmetry energy, but the high density behavior of nuclear symmetry energy is still very uncertain. Theoretically, a number of observables have been proposed as sensitive probes to the high density behavior of nuclear symmetry energy. With new opportunities provided by the various radioactive beam facilities being constructed around the world, studies of the high density behavior of nuclear symmetry energy is expected to be one of the main forefront research areas in nuclear physics in the near future. In this report, based on the transport model IBUU we have reviewed the major progress achieved in studying the high density behavior of nuclear symmetry energy and discussed future challenges in this field.     

重离子碰撞中的对称势翻转

利用同位旋和动量相关的输运模型IBUU，以Sn,Sn同位素在低能与高能碰撞为例，在两种不同的对称势作用下，研究了重离子碰撞中的对称势翻转现象.我们发现从低能到高能在同位旋相分化、发射核子的中-质比、发射核子的双n/p比，中-质微分横向流观测量中均存在对称势翻转现象.对称势翻转效应的研究有利于确定对称能的密度依赖性. 关键词： 重离子碰撞 对称势翻转 对称能     

多重碎裂的同位旋效应和动量相关作用的影响

利用同位旋相关的量子分子动力学模型,对中能重离子碰撞过程中多重碎裂对于同位旋自由度和动量相关作用的依赖性进行了研究.结果表明:在相对较高能区,碎片的平均多重性敏感地依赖于介质中核子–核子碰撞截面的同位旋效应,但很弱地依赖于对称势;动量相关作用增强了中等质量碎片多重性对于核子–核子碰撞截面的同位旋依赖的敏感性.中等质量碎片的平均多重性可用作提取介质中同位旋相关的核子–核子碰撞截面的探针.     

重离子碰撞中原子核阻止的同位旋效应

利用含有3种对称势形式的同位旋相关的量子分子动力学,研究了中能重离子碰撞中原子核阻止的同位旋效应和随入射道条件的系统演化过程.计算结果表明,原子核阻止灵敏地依赖束流能量、碰撞参数、碰撞系统的质量和核子–核子碰撞截面的同位旋相关性,而3种对称势和碰撞系统的中质比对它的影响不很明显,但在大约费米能量以下能区,原子核阻止同时依赖于介质中核子–核子碰撞截面和对称势.故认为在费米能量以上能区直至150MeV/u,原子核阻止是提取介质中核子–核子碰撞截面的一个新的物理观测量.     

核子碰撞截面的介质修正对多重碎裂的影响

利用同位旋相关的量子分子动力学模型研究了中能重离子碰撞过程中,同位旋相关的核子碰撞截面的介质修正对于多重碎裂的影响.结果表明:在包括动量相关作用在内的软势的情况下,介质修正明显地提高了自由核子的发射和中等质量碎片的多重性对于核子碰撞截面的同位旋依赖的敏感性.但对于原子核阻止敏感地依赖于核子碰撞截面的同位旋效应而不敏感地依赖于对称势的形式这一性质的影响并不明显,因此,原子核阻止对于核子碰撞截面的同位旋依赖的敏感性主要决定于自由核子碰撞截面的同位旋相关性.     

利用自由中-质比研究对称能的高密行为

基于同位旋和动量依赖的强子输运模型IBUU04, 采用两种具有不同密度依赖的对称能研究了¹³²Sn+¹²⁴Sn反应系统在400MeV/A, 600MeV/A, 800MeV/A三种不同碰撞能量下中快度发射核子中-质比随横动量的变化关系. 发现发射核子中--质比在低横动量端非常敏感于对称能, 发射核子中--质比的强度随碰撞能量的降低而增强. 并且发射核子中-质比对对称能的敏感性随着碰撞能量的增大而降低, 在高横动量端尤为明显, 在碰撞能量为400MeV/A时, 自由核子中-质比对对称能的敏感性最为明显.     

质子椭圆流与对称能的密度依赖性

基于同位旋和动量依赖的强子输运IBUU04模型, 研究了¹³²Sn+¹²⁴Sn碰撞系统中的质子椭圆流对对称能的敏感关系. 研究发现入射能量从每核子400MeV到800MeV时质子椭圆流在低横动量端对对称能的敏感性高于高横动量端, 同时发现随着入射能量的增大, 质子椭圆流对对称能的敏感性在降低. 在研究入射能量范围内, 当入射能量为每核子400MeV左右时质子椭圆流对对称能最为敏感.     

同位旋非对称核物质状态方程

为了确定同位旋非对称核物质状态方程,利用同位旋有关的量子分子动力学理论计算和寻找实验上对于中能重离子碰撞中核子-核子碰撞截面或者对称势非常灵敏的物理观测量——探针.结果发现了几种分别对于核子-核子碰撞截面或者对称势非常灵敏的物理观测量.并对这些探针的机理进行了仔细研究,对以上研究结果进行小结和讨论,并为今后继续深入研究工作提出展望. 关键词： 对称势 核子-核子碰撞截面 同位旋依赖性 机理     

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.     

用中子晕弹核探寻同位旋非对称核物质状态方程

总结和评述了用中子晕弹核探寻同位旋非对称核物质状态方程。在具有同位旋和动量依赖的同位旋相关量子分子动力学框架内,采用对比中子晕弹核和相等质量稳定弹核在完全相同入射道条件下物理观测量的差别,来突出中子晕核明显的同位旋效应和加强物理观测量对于同位旋的灵敏性,从而提取核物质状态方程。例如,与稳定弹核碰撞系统相比,中子晕弹核明显提高了发射核子的中子-质子比和增加了它对于对称势的灵敏性,这两点特征非常有利于提取对称势。同样,由于中子晕弹核碰撞系统在低能区（E〈60MeV）由于内部松散结构减弱了核子碰撞力度和动量耗散,与稳定核碰撞系统相比,明显提高了原子核阻止;而在高能区由于两体碰撞同位旋效应的增加,从而明显提高了原子核阻止。利用这些特征可以提取核子-核子碰撞截面的介质效应和同位旋依赖性。     

对称能密度依赖的输运理论模型研究中的一些问题的讨论

本文非常简要地介绍了目前通过重离子碰撞中的对称能敏感观测量获取对称能密度依赖的研究现状,讨论了在输运理论模型计算中可能引起计算结果的不确定性的几个问题。特别与目前广泛采用的输运理论模型计算相关的3个方面的问题,即对称势动量依赖项和中子、质子有效质量劈裂;不同电荷态△产生的阈能和相关截面的介质修正;输运理论模型中的多体关联和涨落等的处理等问题。     

同位旋效应对中能重离子反应中轻粒子产物的影响

利用同位旋相关的量子分子动力学模型,研究了¹¹²Sn+¹¹²Sn和¹²⁴Sn+¹²⁴Sn两反应系统在不同入射能量、不同碰撞参数、不同势场和不同核子-核子碰撞截面下的粒子发射特征.阐述了发射体系的同位旋对轻粒子产额比的影响.发现轻粒子产额比是同位旋的敏感观测量.另外,还发现中快度区发射的粒子有更高的丰中子程度.同时,轻粒子的比不敏感于核子核子碰撞截面,而敏感于核态方程,这使得从轻粒子比提取同位旋相关的核态方程变成一种可能. 关键词： 同位旋相关的量子分子动力学 同位旋效应 轻粒子产额比     

Pentaquark■~+对核物质状态方程的影响

假定■~+通过交换有效的同位旋标量介子σ和ω与核子和它本身发生相互作用,在密度相关的相对论平均场理论基础上研究了{p,n,■~+}系统状态方程和可能形成的亚稳定态．讨论了在不同的重子密度下质子中子同位旋比值以及Pentaquark ■~+成分对系统单个重子能的影响．计算结果表明,在单个重子能取极小时,■~+有可能在核物质中束缚存在．