利用重离子碰撞研究原子核内核子的短程关联及高动量分布

发布时间：2020-06-08 10:36

【摘要】：原子核内核子之间的短程关联及其对核子动量分布的影响是近年来人们关注的一个热点问题。传统的壳模型认为原子核内的每个核子都处在一个与其他所有核子共同作用而产生的平均场中做近似独立粒子运动,因而核子的动量不能超过费米动量(kkF)。然而随后的质子敲出实验却指出只有60-70%的核子满足这种独立粒子运动,这显然有悖于壳模型图像。近年来进行的高能电子散射实验则进一步指出,原子核中普遍存在着同位旋依赖的核子-核子短程关联对,即质子-中子关联、质子-质子关联及中子-中子关联,其中质子-中子关联对占主导地位(np-dominance),这种由张量力导致的关联核子对之间具有大的相对动量和小的质心动量,使得一部分低动量核子(kkF)获得更高的动量(kkF),从而在核子动量分布中产生一个高动量尾巴。短程关联及其导致的高动量尾巴对核结构与核天体物理中的许多问题,如核物质对称能、中子星的结构及状态方程等都会造成显著影响,这方面的研究也在如火如茶的进行。基于目前实验和理论上的一些进展,本文我们将在同位旋依赖的Boltzmann-Uehling-Uhlenbeck(IBUU)模型的框架下,利用重离子反应来研究核子之间短程关联及高动量尾巴。通过比较和分析在考虑与未考虑高动量尾巴效应下的模型计算结果,进而去寻找实验上敏感于高动量尾巴的观测量。首先第二章介绍了目前常用的描述中能重离子碰撞的微观输运模型。在第三章,根据一些实验事实及理论研究,如由于质子-中子短程关联对的主导地位,在丰中子核内质子拥有高动量(kkF)的几率大于中子;理论和实验指出,高动量尾巴的分布形式为～1/k4;微观计算显示同位旋不对称度δ与动量分布的高动量组分之间近似呈线性关系,我们获得了考虑核子-核子短程关联效应之后,核物质核子动量分布的参数化形式n(k)。进一步结合局域密度近似,得到了有限核的核子动量分布,并在IBUU输运模型中加入了这种高动量的核子动量分布。计算结果显示当考虑短程关联后,核子动量分布中明显出现一个高动量尾巴。第四章基于合并了高动量尾巴效应的IBUU输运模型,我们模拟了束流能量为50 MeV/nucleon及140 MeV/nucleon的对称核系统12C+12C和非对称核系统124Srn+124Sn的碰撞反应,计算表明高动量尾巴效应能明显增加高能自由质子和自由中子的产出几率,并且高能核子的出射几率会随着束流能量的提高而增加,但是高动量尾巴在高能核子排放中的效应却有所减弱,这是由于越高的反应能量,会导致短程关联的作用在核子碰撞过程中相比其他作用影响越低。对于高动量尾巴效应对核反应中的韧致辐射光子产出的影响,我们也模拟计算了 112Sn+112Sn,124Sn+124Sn和197Au+197Au三个体系的碰撞反应。结果表明反应产出的质子-中子韧致辐射光子非常敏感于原子核动量分布中的高动量成分,核子动量分布中的高动量尾巴可以导致丰中子核中高能韧致辐射光子产出量的显著增长。对于不同的平均场势,反应中硬光子的产出会有一定的差异,但是光子发射的高动量尾巴效应却都很明显。不同平均场下光子产量之所以不同,是因为韧致辐射光子来自于核子之间的散射,不同的平均场导致核子受到的力不同,因而会直接影响到核子的散射过程,最终影响到反应中光子的产额。为了减小反应模拟中的不确定性,如光子产出几率和核子散射截面以及系统误差,同一反应体系在不同束能下的双微分光子产出几率之比Rp及不同反应体系在同一束能下的双微分光子产出几率比Rp'被提出作为潜在的敏感探针来研究核子之间的短程关联及其导致的高动量尾巴。核物质对称能也是人们关注的一个热点问题,其在重离子核反应动力学、非对称核物质状态方程等方面以及天体物理领域中的核素合成和中子星的结构与演化等方面具有的重要影响。在考虑了高动量尾巴效应的IBUU模型的基础上,我们也讨论和分析了利用质子-中子韧致辐射光子作为对称能敏感探针的可能性。第五章模拟了束流能量为50 MeV/nucleon的132Sn+124Sn和40Ca+40Ca两个系统的反应,讨论了在考虑与不考虑高动量尾巴两种动量分布情况下,质子-中子韧致辐射光子的产出情况并进一步分析了其对核对称能的敏感性。通过对不同的对称能下光子的产额及其能量的几率分布可知,无论有没有考虑短程关联效应,韧致辐射光子的产出都不敏感于对称能。然而两个不同系统的光子产出比R,不仅敏感于原子核的高动量尾巴,同时也敏感于核对称能,甚至在考虑高动量尾巴效应后,核对称能对硬光子产出比的影响会进一步增大,这可能是由于比值降低了光子产出的介质效应的影响以及光子产出几率模型所导致的差异,从而使得光子产出的对称能效应显现出来。另外,相比于不考虑高动量尾巴的情况,在考虑短程关联导致的高动量成分后,光子产出比有所降低,这是由于核子动量分布中的高动量组分主要由质子-中子关联导致,因而高动量尾巴效应对光子产出的影响会随着同位旋不确定度占的增加而减弱。最后,在第六章中,我们对本文涉及的工作进行了总结,并对以后可能的研究方向作了展望。
【图文】：

子核,势阱,质子,和中

用的费米气体，它们被平均场约束在一个区域内。对核内核子运动起约束作逡逑用的主要因素是泡利（Ｐａｕｌｉ）不相容原理。为便于计算，将这个区域看成边长逡逑为ａ的方盒子，并且盒壁为无限高势垒。图１．２为中子和质子的核势阱，势阱的逡逑高低由结合能、费米能级决定。根据泡利原理的限制，势阱内每个能级上的核逡逑子（质子或中子）只能以自旋方向相反的形式填充。由于中子和质子有电荷差逡逑异，他们的核势阱的深度不相同，质子之间的库仑作用导致质子阱底部比中子逡逑高出一个库伦能艮。逡逑根据边界条件，由薛定谔方程可以给出描述核子运动的波函数为逡逑２逡逑－０邋＝邋（－）３／／２邋ｓｍｋｘｘ邋■邋ｓｉｎ邋ｋｖｙ邋？邋ｓｉｎ邋ｋ７ｚ：逦（１．１）逡逑ａ逡逑其中Ａ：Ｔａ邋＝？兀，Ａ：ｙａ邋＝邋７２：，，，邋Ａ；２ａ邋＝邋ｒ＾７ｒ，？，？取正整数。核子动量Ａ：对应的逡逑动能为￥Ａ：２／２Ａｆ，容易得到在ａ．Ａ：邋＋邋ｄＡ：）之间的总的状态数为逡逑ｄｎｉｋ）邋—邋—（）３／ｃ２ｄ／ｃ，逦（１．２）逡逑２邋７Ｔ逡逑４逡逑

振子,原子核,吸引力,单粒子运动

刚＝１￣＋良。仄，，逦（Ｌ８）逡逑其中，通常取Ｖｏ邋＝邋－５０ＭｅＶ，ｒｏ邋＝邋５．８ｆｍ，ａ邋＝邋０．６５ｆｍ。图１．３给出了谐振子势和逡逑伍兹－萨克森势的比较，可以看出相比谐振子势，在短程和长程部分伍兹－萨克逡逑森势的吸引力较弱，而在中程部分伍兹－萨克森势的吸引力较强。逡逑通过求解薛定谔方程，计算发现只有前三个幻数核与实验一致，这说明只逡逑考虑中心力场还不足以描述原子核的壳层结构。为了进一步完善模型，迈耶等逡逑提出原子核中应存在较强的自旋－轨道耦合相互作用，这便是壳模型的第二个假逡逑设：原子核内的核子除了受到一平均的中心力场作用外，还受到另一位势，即逡逑自旋－轨道耦合势的作用。这样就可以将单粒子运动的哈密顿量Ｆ写为逡逑Ｈ＾＾邋＋邋Ｖ（ｒ）邋＋邋Ｖｓｏ（ｒ）ｌ－ｓ，逦（１．９）逡逑其中Ｖ（ｒ）取上述伍兹－萨克森势
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O571

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