软物态方程支持大质量中子星机制概述

重离子碰撞实验分析及相关理论研究认为高密度非对称核物质可能具有较软的物态方程;在约2～3倍饱和核密度下超子等奇异物质的出现也可能会使物态方程变软。然而,软物态方程却无法支持大质量中子星。脉冲星PSR J1614-2230具有大质量(1.97±0.04)M⊙的观测发现使这一矛盾变得尤为突出。为了解决该矛盾,人们提出了各种可能的物理机制:包括考虑修正的引力理论、修改描述高密度物质物态的理论模型等。在概述和讨论这些能使软物态方程支持大质量中子星的可能物理机制的基础上,还计算和讨论了强电场、强磁场对中子星最大质量的影响,发现强电磁场可以有效地增大中子星的最大质量。     

局域物态方程对中子星整体性质的影响

由于高密非对称核物质核核相互作用的复杂性,使得目前人们对高密非对称核物质的物态方程的认识还存在很大的不确定性。利用逐段修改物态方程的方法,探究了不同密度段物态方程对中子星整体性质的影响,尤其是对典型中子星（1.4 M_⊙）半径及最大质量的影响。研究进一步证实了在2倍饱和核密度附近的物态方程对典型质量中子星的半径有显著影响。还进一步分析了中子星的质量半径关系曲线特征及其斜率（dM/dR）对物态方程的依赖性,发现dM/dR主要由饱和核密度以上的中子星物质的物态方程决定。探索不同密度段物态方程对中子星整体性质的影响以及探索dM/dR对物态方程的依赖性,主要是为将来利用中子星的天文观测来反向约束致密物质的物态方程提供理论参考。Because of the complicacy of the interaction between the nucleon-nucleon for high density matters, up to now the equation of state (EOS) of the unsymmetrical high-density nuclear matter is still uncertain. In order to investigate the imprint on the global properties by some special part of the EOS, we designedly modify part of the EOS and explore the corresponding effect on the stellar properties, especially on the radius of the typical neutron star (1.4 M_⊙) and the maximum stellar mass of the neutron star sequence for a given EOS. It is further proved by our calculation that the EOS around 2 times of the saturation nuclear density has an obvious imprint on the stellar radius of a typical neutron star. In addition, we also investigate the dependence of the mass-radius curve and its slope (dM/dR) on the EOS. It is found that the slope (dM/dR) is mainly determined by the EOS above the saturation nuclear density. In fact, the investigations above will provide some useful theoretical reference. This is expected to conversely constrain the EOS of dense matter by using the future astronomic observation data of neutron star.     

核物质对称能斜率对快转中子星性质的约束（英文）

在过去的十余年中,对非对称核物质的对称能的研究无论从实验还是理论上都取得了较大的突破,这对中子结构及其物态方程的理解具有十分重要的意义。本研究将采用一个相对保守的对称能斜率范围(25 Me VL105Me V)来研究其对快速转动中子星性质的约束,这些性质包括:质量-半径关系、转动惯量、引力红移以及转动形变等。通过该对称能斜率的约束,发现典型中子星(M=1.4M⊙)的半径约束在10.28～13.43 km范围内,这与最近的相关观测相一致。如果观察发现了质量较小的毫秒脉冲星,则将为核物质的对称能较软提供有效的证据。另外还发现,对角动量的一致性可为快转中子星转动惯量的上限提供约束。最后,根据具有低质量伴星的双星EXO0748-676的红移观测,给出了该脉冲星的质量下限(1.5M⊙)。     

致密物质状态方程:中子星与奇异星

中子星结构一直是核物理、粒子物理和天体物理共同关注的热点难题,双中子星并合事件GW170817的发现更是掀起这一研究的高潮。致密物质的状态方程是决定中子星结构的关键输入量,但是到目前为止,高密度的核物质状态方程行为依然很难确定。如今国内外已有许多运行或规划的大型核实验装置和天文观测设备,有望帮助我们很快解开致密物质状态方程的谜团。本文系统地阐述了基于微观多体理论和唯象模型对脉冲星类天体状态方程的研究现状,也讨论了奇异相变和奇异物质。结合理论计算和核物理实验及天文观测数据,致密物质状态方程的研究已取得相当多进展,但是也面临不少挑战,比如从实验和观测数据提取状态方程信息时的模型依赖,中子星各部分模型的不自洽以及各种依赖热密物质复杂动力学性质的实验和观测量。随着LIGO即将再运行而发现更多双中子星甚至中子星-黑洞等并合事件,多信使天文观测可望最终揭开中子星结构之谜。The matter state inside neutron stars (NSs) is an exciting problem in nuclear physics, particle physics and astrophysics. The equation of state (EOS) of NSs plays a crucial role in the present multimessenger astronomy, especially after the event of GW170817. Thanks to accruing studies with advanced telescopes and radioactive beam facilities, the unknown EOS of supranuclear matter could soon be understood. We review the current status of the EOS for pulsar-like compact objects, that have been studied with both microscopic many-body approaches and phenomenological models. The appearance of strange baryonic matter and strange quark matter are also discussed. We compare the theoretical predictions with different data coming from both nuclear physics experiments and astrophysical observations. Despite great progresses obtained in dense nuclear matter properties, there are various challenges ahead, such as the model dependence of the constraints extracted from either experimental or observational data, the lack of a consistent and rigorous many-body treatment of all parts of the star, the dependence of many observables on the turbulent dynamics of relevant hot dense system. As LIGO is about to run again and discover more NS merger events, multimessenger observations are expected to finally unravel the mystery of NS structure.     

中子星对自旋相关轴矢量新相互作用的约束

众多粒子物理超标准模型中都预言了自旋有关的新相互作用存在.极化的核子间通过交换自旋为1的轴矢量玻色子可以产生额外的吸引力进而改变无穷大核物质状态方程性质.本文在相对论平均场模型的框架下加入额外的轴矢量玻色子后计算发现,当相互作用强度与玻色子质量之比达到g_A~2/m_(Z′)~2～O(10 GeV~(-2))时,低密处无穷大核物质的稳定性和对应的相变行为将发生显著的改变;而当g_A~2/m_(Z′)~2 130 GeV~(-2)时核物质将在发生相变前率先到达零压点.对中子星而言这意味着其内核物质将在保持稳定的状态下形成表面而不会发生相变形成壳层结构,这与普遍存在于中子星天文观测中的星震现象矛盾,因此反过来对新相互作用的强度提出了额外的限制.通过与已有的地面实验结果对比,本文发现对于力程为微米到厘米间的新相互作用,中子星对其强度的约束最高可有8个量级的提升.     

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.     

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。     

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.     

中子星磁场的极限值

中子星由中子构成,根据天文观测,中子星有很强的磁场,磁感强度B的值可达108到109特斯拉甚至更高.近二十年来的研究表明,中子星的结构是很复杂的,其内部物理状态目前还不清楚.在这里,我们不拟讨论中子星的结构问题,而用一个简单的模型来估算一下中子星磁场的极限值. 根据中子星的密度(1017至1018千克/米3),假定中子星由中子密集排列而成,它的磁场来自中子的磁矩μ,μ都沿同一方向排列,如图一所示.因为这种模型产生的磁场最强,所以我们就用它来估算中子星磁场的极限值。 已知中子的半径约为 故中子的体积约为因此,在中子星里,单位体积(每立方…     

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.     

Polyakov-loop拓展的夸克介子模型中的Roberge-Weiss相变研究

${\mathbb{Z}}_3$-QCD是具有严格中心对称性的类QCD理论,研究其在特殊条件下的性质有助于理解QCD退禁闭相变。本文应用三种味道的Polyakov-loop拓展的夸克介子模型作为${\mathbb{Z}}_3$-QCD的低能有效理论,研究了不同中心对称性破缺模式下的Roberge-Weiss(RW)相变。为保证RW周期性,本文采用味道依赖的虚化学势$(\mu_{\rm{u}},\mu_{\rm{d}},\mu_{\rm{s}})={\rm{i}}T(\theta-2C\pi/3,\theta,\theta+2C\pi/3)$,其中${\mathbb{Z}}_3$-QCD是具有严格中心对称性的类QCD理论,研究其在特殊条件下的性质有助于理解QCD退禁闭相变。本文应用三种味道的Polyakov-loop拓展的夸克介子模型作为${\mathbb{Z}}_3$-QCD的低能有效理论,研究了不同中心对称性破缺模式下的Roberge-Weiss(RW)相变。为保证RW周期性,本文采用味道依赖的虚化学势$(\mu_{\rm{u}},\mu_{\rm{d}},\mu_{\rm{s}})={\rm{i}}T(\theta-2C\pi/3,\theta,\theta+2C\pi/3)$,其中$0\!\leqslant\!{C}\!\leqslant1$。传统的和夸克反馈效应改进的两种不同Polyakov-loop势被分别用于相应的计算。研究表明,当$N_{\rm{f}}\!=\!3$,$C\!\ne\!1$时,RW相变出现在$\theta=\pi/3$(mod $2\pi/3$)处,其强度随$C$值的减小而加强;当$C\!=\!1$,$N_{\rm{f}}\!=\!2\!+\!1$时,RW相变位置出现反常,变为$\theta=2\pi/3$(mod $2\pi/3$);而当$C\!=\!1$,$N_{\rm{f}}\!=\!1\!+\!2$时,RW相变点又返回$\theta\!=\!\pi/3$(mod $2\pi/3$)。上述几种情形的RW相变端点均为三相点。研究发现,夸克反馈效应使得RW相变强度减弱,退禁闭相变温度变低,但并未改变前述的定性结论。     

双重味重子的理想混合角

本工作研究了双重味重子的理想混合角。理想混合角是将$^{2S+1}(l_\lambda)_J$态转换为具有确定重夸克对称性的态时所对应的旋转角度。在标准的$\rho-\lambda$图像下,求得了$L_\rho=0$情形时重夸克对称性的态$\left(J, j_\ell\right)$和$\left(J, s_{\rm q}+j_\rho\right)= $$ \left(J, \{^4l_\lambda/^2l_\lambda\}\right)$态之间的理想混合角,其中${\boldsymbol{j}}_\ell={\boldsymbol{l}}_\lambda+{\boldsymbol{s}}_{\rm q}$, ${\boldsymbol{s}}_\rho={\boldsymbol{s}}_{\rm Q1}+{\boldsymbol{s}}_{\rm Q2}$和${\boldsymbol{j}}_\rho={\boldsymbol{s}}_\rho+{\boldsymbol{L}}_\rho$。本工作指出当研究双重味重子的衰变性质时,需要采用$(1S1p)1/2^-$和$(1S1p)3/2^-$等理想混合态。     

利用格点量子色动力学研究手征平滑过渡温度和手征相变温度

回顾了最近关于手征平滑过渡温度和手征相变温度的研究结果。首先给出了在零重子化学势能下的手征平滑过渡温度为156.5(1.5) MeV,其次,给出了在非零重子化学势能下手征相转变曲线的二阶及四阶曲率分别为0.012(4)和0.000(4)。接着讨论了在格点QCD中第一次得到的量子色动力学的手征相变温度。在热力学极限、连续极限及手征极限下,我们得到手征相变温度为132$^{+3}_{-6}$ MeV。     

单个谐振子波函数中的有效β值

当一个简单谐振子波函数(SHO)作为有效波函数时,在SHO波函数里面一个重要的参数是有效$ \, \beta$值。得到了简单谐振子波函数有效$ \, \beta$值($ \, \beta_{\rm eff}$)在坐标空间和动量空间的解析表达式。将解析式运用到轻介子系统($u\bar{u}, \, u\bar{s}$)比较 $ \, \beta_{\rm eff}$的行为,结果表明在基态时坐标空间的$ \, \beta_ {{\rm eff}, \, \boldsymbol{r}}$和动量空间的$ \, \beta_ {{\rm eff}, \, \boldsymbol{p}}$在康奈尔势下的值不相同,而在高激发态时两者大小相近。     

3M⊙ AGB星中26Al核合成的网络计算和反应率灵敏度分析

研究了3$M_{\odot}$AGB星中26Al核合成的网络计算和核反应率的灵敏度分析。结合最新的核反应率数据,建立了一个从碳到硅完整的核反应网络,计算了26Al的丰度。结果表明,26Al首先在AGB星中有效合成,随着核反应的进行,然后被一系列的核反应消耗。MgAl循环出现在26Al的网络中。我们将核反应网络中的主要核反应分为三类:(n, ${\rm{\gamma }}$),(p,${\rm{\gamma }}$)和($\alpha$, ${\rm{\gamma }}$),并对核反应率的灵敏度进行了详细的分析。已经确定了每一类中最有影响的核反应,它们是25Mg(n, ${\rm{\gamma }}$)26Mg,25Mg(p, ${\rm{\gamma }}$)26Al,26Mg(p, ${\rm{\gamma }}$)27Al,21Ne(p, ${\rm{\gamma }}$)22Na,18O($\alpha$, ${\rm{\gamma }}$)22Ne和22Ne($\alpha$,${\rm{\gamma }}$)26Mg。在目前网络所涉及的所有核反应中,25Mg(p, ${\rm{\gamma }}$)26Al是对26Al的产量有最大的影响,它值得核实验物理学家的关注。     

等效质量模型中的重子质量谱

在等效质量模型框架下,考虑线性禁闭和一阶微扰相互作用的贡献并通过拟合$ \mathrm{p} $、$ \mathrm{n}$、$\Lambda$和$ \Delta $的质量来得到模型参数。发现,等效质量模型能够较好地给出符合实验的重子质量谱。而禁闭强度$D$、强耦合常数$\alpha_{\rm{s}}$以及夸克质量因子$f$与微扰强度$C$之间都存在关联,并能够很好地用解析公式逼近。除此之外,单胶子交换相互作用的色磁部分在重子质量谱中起着重要作用,从而使自旋$J=1/2$和3/2的重子之间的质量差最高达到300 MeV。为了更好地描述超子质量,对于包含奇异夸克的一对夸克间的相互作用我们进一步采用不同的强耦合常数,其具体的模型参数通过拟合$ \Sigma $和$ \Xi $的质量得到。基于本工作得到的等效质量模型参数组,能够更好地描述$ \mathrm{ud}$夸克物质团、奇异子以及致密星。     

235, 237Np高自旋态的理论研究

锕系核的转动性质对于揭示$A \approx 250 $质量区原子核的顺排机制、对关联性质、能级结构等十分重要,研究这些核的高自旋结构一方面可以对现有的理论模型进行检验,另一方面有助于深入认识超重核。本工作采用基于推转壳模型的粒子数守恒方法研究了实验上观测到的$^{235}{\rm{Np}}$和$^{237}{\rm{Np}}$中转动带的性质,计算得到的转动惯量、角动量顺排等与实验符合。首先,通过描述转动谱的$ab$公式确定了$^{235}{\rm{Np}}$中观测到的转动带的带头自旋。随后,通过对比理论与实验上的转动惯量,确定了其组态为$\pi 5/2^-[523]$。此外,也讨论了高阶形变$\varepsilon_6^{}$对中子$j_{15/2}^{}$顺排的作用,探索了在计算中出现而在实验上未观测到中子$j_{15/2}^{}$顺排的原因,从而解释了$^{235, 237}{\rm{Np}}$的转动带中产生上弯的机制。最后,还讨论了$^{237}{\rm{Np}}$的转动带$\pi 5/2^-[523]$中出现旋称劈裂的原因,发现可能是由于这个转动带的两个旋称分支上弯以后高阶形变$\varepsilon_6^{}$不同所导致的。     

相对论重离子对撞机上重味衰变电子的测量数据中粲和底成分的分离

重味夸克(即粲和底),尤其是底夸克,具有预期不同于轻夸克的性质,被认为是夸克胶子等离子体的理想探针。然而,很少有对底强子或其衰变的轻子的测量。利用最近相对论重离子对撞机上$\sqrt{s_{\rm NN}}=200\;{\rm{GeV}}$ 的金核-金核碰撞中产生于中心快度下的粲强子和重味衰变电子的测量数据,我们发展了一种数据驱动的方法,用于分离重味衰变电子中粲和底的成分。从粲强子的测量数据出发,通过模拟其半轻子衰变得到粲衰变电子,从而从重味衰变电子中提取出底的成分。初步的结果展示了在最小偏向的金核-金核碰撞中粲和底衰变电子的横动量谱、核修正因子和椭圆流的分布。在中等至较高横动量区,相比于粲衰变电子的核修正因子,底衰变电子的核修正因子受到了较小的压制;在较低至中等横动量区,底衰变电子获得了比粲衰变电子更小的椭圆流。     

锦屏深地核天体物理实验(JUNA)地面实验进展

锦屏深地核天体物理(JUNA)实验项目将利用中国锦屏深地实验室(CJPL)的良好条件,在天体物理伽莫夫能量窗口开展核天体关键反应$^{25}{\rm{Mg}}({\rm{p}},{\rm{\gamma}})^{26}{\rm{Al}}$、$^{19}{\rm{F}}({\rm{p}},\alpha)^{16}{\rm{O}}$、$^{13}{\rm{C}}(\alpha, {\rm{n}})^{16}{\rm{O}}$和$^{12}{\rm{C}}(\alpha,{\rm{\gamma}})^{16}{\rm{O}}$的直接测量,为理解恒星演化和元素起源提供新的数据。目前,已经在地面上对加速器装置、束流稳定性、靶、探测器以及电子学进行了系统的测试。地面实验内容包括高纯锗探测器效率刻度,$^{25}{\rm{Mg}}({\rm{p}}, {\rm{\gamma}})^{26}{\rm{Al}}$在304 keV的共振强度测量,$^{19}{\rm{F}}({\rm{p}}, \alpha)^{16}{\rm{O}}$的截面测量,聚乙烯作为慢化体的中子探测器的设计、加工和效率刻度,靶的设计和稳定性检测等。JUNA项目整体进展顺利,地面实验已取得一系列关键进展和初步成果。在不远的将来,JUNA项目将有序开展地下实验,完成设定目标,也将促进更广泛的国际合作,助力于天体演化中的若干重大科学问题的解决。     

碳离子治疗计划中的RBE加权剂量鲁棒优化方法

提出基于混合束模型的相对生物学效应(RBE)加权剂量鲁棒优化方法,用于减少碳离子束射程和摆位偏差对生物剂量分布的影响。建立概率组合鲁棒优化模型,利用二次型目标函数表达式,分别制定针对物理吸收剂量和RBE加权剂量的碳离子束治疗计划,并基于共轭梯度优化算法求解出各自最优的权重解,使得靶区和危及器官(OAR)实际剂量分布在射程和摆位偏差组合情况下尽量满足剂量要求。采用C型靶模型测试鲁棒优化方法的有效性。与基于计划靶区(PTV)的常规优化方法相比,针对物理吸收剂量的鲁棒优化计划临床靶区(CTV)的$ \Delta {D}_{95{\text{%}} } $减少10.00 cGy,OAR的$ \Delta {D}_{5{\text{%}} } $和$ \Delta {D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $分别减少21.50和35.97 cGy,计划的鲁棒性得到了很好的提升。针对RBE加权剂量的鲁棒优化计划CTV的$ \Delta {D}_{95{\text{%}} } $降低14.00 cGy(RBE),OAR的$ \Delta {D}_{5{\text{%}} } $和$ \Delta {D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $分别减少19.00和26.28 cGy(RBE),说明该方法不仅减少了CTV的生物剂量变化,也减少了OAR的生物剂量热点。该结果证明了基于混合束模型的RBE加权剂量鲁棒优化方法在有效提高碳离子放疗计划鲁棒性的同时使OAR也得到了很好的保护。