核物質(zhì)狀態(tài)方程描述核物質(zhì)結(jié)合能、壓強(qiáng)、密度和中子—質(zhì)子數(shù)差異等宏觀量之間的關(guān)系。核物質(zhì)狀態(tài)方程不僅僅與核力屬性、核結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及重離子核反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過程緊密相關(guān),還與致密星體如中子星的結(jié)構(gòu)、演化、輻射與并合等天體過程緊密相關(guān)�；诩铀倨餮b置的重離子核反應(yīng)實(shí)驗(yàn),是地面實(shí)驗(yàn)室模擬產(chǎn)生極端條件核物質(zhì)的唯一手段,因而也成為研究核物質(zhì)狀態(tài)方程的有效途徑。當(dāng)核物質(zhì)中的中子數(shù)遠(yuǎn)大于質(zhì)子數(shù)時(shí),例如中子星內(nèi)部的情形,核物質(zhì)狀態(tài)方程中的主要貢獻(xiàn)項(xiàng)是對(duì)稱能項(xiàng)。迄今為止,對(duì)稱能關(guān)于密度的函數(shù)是核物理和天體物理中一個(gè)未知而又非常重要的物理量。通過重離子核反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究來確定對(duì)稱能的密度依賴關(guān)系及其在核反應(yīng)以及致密星天體事件中的物理效應(yīng),是當(dāng)代核物理基礎(chǔ)研究的重要前沿。文章介紹了中能重離子核反應(yīng)和核物質(zhì)狀態(tài)方程的一些背景知識(shí)和研究方法,以及近年來的一些進(jìn)展。 

【文章來源】：物理. 2020,49(03)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【部分圖文】：

圖1 兩個(gè)中子星并合過程的示意圖(引自參考文獻(xiàn)[4])

雖然原子核的線度很小，但是不管在對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，還是在固定靶實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家總有辦法讓彈核和靶核以一定的概率撞到一起發(fā)生反應(yīng)，這聽起來有點(diǎn)不可思議。對(duì)重離子核反應(yīng)的分類，正是依據(jù)入射能量和碰撞參數(shù)來進(jìn)行的，當(dāng)彈靶確定之后，不同的入射能量或者碰撞參數(shù)，導(dǎo)致的結(jié)果是不同的。在能量很低時(shí)，彈核和靶核可能發(fā)生熔合反應(yīng)，生成更重的復(fù)合核，伴隨著復(fù)合體系的高速旋轉(zhuǎn)和粒子蒸發(fā)過程。當(dāng)能量升高后，反應(yīng)變得更劇烈，原子核可能會(huì)被打散甚至發(fā)生多重碎裂的過程，或者被短暫壓縮，在很小的體積內(nèi)形成密度很高、壽命很短的核物質(zhì)。當(dāng)能量足夠高，可能還會(huì)產(chǎn)生新的粒子甚至發(fā)生從核物質(zhì)到夸克膠子等離子的相變過程。我們暫時(shí)把討論局限在每核子幾十兆電子伏這樣的重離子核反應(yīng)中。這個(gè)能區(qū)的重離子反應(yīng)過程是極為復(fù)雜的。復(fù)雜性主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：(1)反應(yīng)的時(shí)間極短，約為10-21s量級(jí)，因此對(duì)原子核反應(yīng)的直接“攝像”變得幾乎不可能；(2)反應(yīng)機(jī)制復(fù)雜，每個(gè)反應(yīng)事例有數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)核子參與，核子與核子之間存在相互關(guān)聯(lián)，每個(gè)核子除了受到其他核子提供的作用勢(shì)(包括核勢(shì)和庫(kù)侖勢(shì))之外，還會(huì)與其他核子頻繁發(fā)生兩兩碰撞的過程；(3)體系可能高速轉(zhuǎn)動(dòng)，攜帶很大的角動(dòng)量；(4)由于這是一個(gè)有限大小的體系，而且作用時(shí)間短，整個(gè)過程可能是一個(gè)非平衡過程。上述復(fù)雜性，使得通過對(duì)反應(yīng)末態(tài)產(chǎn)物的測(cè)量來重構(gòu)整個(gè)碰撞過程變得較為困難。理論上對(duì)重離子核反應(yīng)的描述，需通過輸運(yùn)模型來實(shí)現(xiàn)。目前有兩種主要的輸運(yùn)模型方法，一種是基于量子分子動(dòng)力學(xué)(Quantum Molecular Dynamics，簡(jiǎn)稱QMD)的逐事件描述方法，另一種是基于Boltzmann—Uehling—Uhlenbeck(簡(jiǎn)稱BUU)方程的測(cè)試粒子方法。

隨著核物理探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，這方面的測(cè)量精度可以進(jìn)一步改善。相比于本世紀(jì)初的實(shí)驗(yàn)條件，現(xiàn)在的探測(cè)器和電子學(xué)技術(shù)更好，具有更高的位置分辨、能量分辨和粒子鑒別本領(lǐng)，因此小角關(guān)聯(lián)函數(shù)的測(cè)量精度將得到顯著改善，可以用于研究不同同位旋粒子發(fā)射時(shí)標(biāo)之間的差異。清華大學(xué)物理系近年來搭建了一個(gè)小型的核反應(yīng)測(cè)量譜儀(a Compact Spectrometer for Heavy Ion Experiment，簡(jiǎn)稱CSHINE)，這一譜儀采用大面積的位置靈敏平行板雪崩計(jì)數(shù)器(PPAC)來記錄裂變產(chǎn)生的重碎片，采用六套先進(jìn)的硅條望遠(yuǎn)鏡陣列測(cè)量符合出射的輕粒子，既可以精確測(cè)量出射粒子的種類和能量，也可以精確測(cè)量其出射角度。圖4為CSHINE的結(jié)構(gòu)示意圖。我們利用該譜儀在我國(guó)的大科學(xué)裝置——蘭州重離子研究裝置(HIRFL)上完成兩輪重離子核反應(yīng)的束流實(shí)驗(yàn)，有望在不久的將來，取得數(shù)據(jù)分析的結(jié)果。值得一提的是，在重離子核反應(yīng)中，參與反應(yīng)的自由度極多，大量反應(yīng)道打開，描述重離子核反應(yīng)的輸運(yùn)模型參數(shù)多，物理機(jī)制和數(shù)值處理復(fù)雜，這可能導(dǎo)致不同的模型計(jì)算結(jié)果之間亦可能存在差異[13]。因此，從重離子核反應(yīng)中提取狀態(tài)方程的信息，依然有些不確定因素。人們不禁進(jìn)一步思考，能否利用參與反應(yīng)自由度少的反應(yīng)類型，例如直接反應(yīng)，來尋找核物質(zhì)狀態(tài)方程的敏感探針呢？答案是肯定的。許昌和他的合作者發(fā)現(xiàn)，根據(jù)Hugenholtz—Van Hove定理，飽和點(diǎn)附近的對(duì)稱能及其密度依賴斜率，可以由中子和質(zhì)子與原子核散射的全局光學(xué)勢(shì)之差解析導(dǎo)出[14]。因此，只要分別得到質(zhì)子和中子與原子核的光學(xué)勢(shì)，就能夠?qū)С鰧?duì)稱能的密度依賴。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]雙中子星的并合及其引力波和電磁信號(hào)[J]. 肖笛,耿金軍,戴子高.  物理. 2019(09)



本文編號(hào)：3232649