重离子核反应与核物质状态方程
发布时间：2021-06-16 07:28
核物质状态方程描述核物质结合能、压强、密度和中子—质子数差异等宏观量之间的关系。核物质状态方程不仅仅与核力属性、核结构性质以及重离子核反应的动力学过程紧密相关,还与致密星体如中子星的结构、演化、辐射与并合等天体过程紧密相关。基于加速器装置的重离子核反应实验,是地面实验室模拟产生极端条件核物质的唯一手段,因而也成为研究核物质状态方程的有效途径。当核物质中的中子数远大于质子数时,例如中子星内部的情形,核物质状态方程中的主要贡献项是对称能项。迄今为止,对称能关于密度的函数是核物理和天体物理中一个未知而又非常重要的物理量。通过重离子核反应的实验和理论研究来确定对称能的密度依赖关系及其在核反应以及致密星天体事件中的物理效应,是当代核物理基础研究的重要前沿。文章介绍了中能重离子核反应和核物质状态方程的一些背景知识和研究方法,以及近年来的一些进展。
【文章来源】：物理. 2020,49(03)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图1 两个中子星并合过程的示意图(引自参考文献[4])
虽然原子核的线度很小，但是不管在对撞实验中，还是在固定靶实验中，物理学家总有办法让弹核和靶核以一定的概率撞到一起发生反应，这听起来有点不可思议。对重离子核反应的分类，正是依据入射能量和碰撞参数来进行的，当弹靶确定之后，不同的入射能量或者碰撞参数，导致的结果是不同的。在能量很低时，弹核和靶核可能发生熔合反应，生成更重的复合核，伴随着复合体系的高速旋转和粒子蒸发过程。当能量升高后，反应变得更剧烈，原子核可能会被打散甚至发生多重碎裂的过程，或者被短暂压缩，在很小的体积内形成密度很高、寿命很短的核物质。当能量足够高，可能还会产生新的粒子甚至发生从核物质到夸克胶子等离子的相变过程。我们暂时把讨论局限在每核子几十兆电子伏这样的重离子核反应中。这个能区的重离子反应过程是极为复杂的。复杂性主要表现在如下几个方面：(1)反应的时间极短，约为10-21s量级，因此对原子核反应的直接“摄像”变得几乎不可能；(2)反应机制复杂，每个反应事例有数十个甚至数百个核子参与，核子与核子之间存在相互关联，每个核子除了受到其他核子提供的作用势(包括核势和库仑势)之外，还会与其他核子频繁发生两两碰撞的过程；(3)体系可能高速转动，携带很大的角动量；(4)由于这是一个有限大小的体系，而且作用时间短，整个过程可能是一个非平衡过程。上述复杂性，使得通过对反应末态产物的测量来重构整个碰撞过程变得较为困难。理论上对重离子核反应的描述，需通过输运模型来实现。目前有两种主要的输运模型方法，一种是基于量子分子动力学(Quantum Molecular Dynamics，简称QMD)的逐事件描述方法，另一种是基于Boltzmann—Uehling—Uhlenbeck(简称BUU)方程的测试粒子方法。
随着核物理探测技术的进步，这方面的测量精度可以进一步改善。相比于本世纪初的实验条件，现在的探测器和电子学技术更好，具有更高的位置分辨、能量分辨和粒子鉴别本领，因此小角关联函数的测量精度将得到显著改善，可以用于研究不同同位旋粒子发射时标之间的差异。清华大学物理系近年来搭建了一个小型的核反应测量谱仪(a Compact Spectrometer for Heavy Ion Experiment，简称CSHINE)，这一谱仪采用大面积的位置灵敏平行板雪崩计数器(PPAC)来记录裂变产生的重碎片，采用六套先进的硅条望远镜阵列测量符合出射的轻粒子，既可以精确测量出射粒子的种类和能量，也可以精确测量其出射角度。图4为CSHINE的结构示意图。我们利用该谱仪在我国的大科学装置——兰州重离子研究装置(HIRFL)上完成两轮重离子核反应的束流实验，有望在不久的将来，取得数据分析的结果。值得一提的是，在重离子核反应中，参与反应的自由度极多，大量反应道打开，描述重离子核反应的输运模型参数多，物理机制和数值处理复杂，这可能导致不同的模型计算结果之间亦可能存在差异[13]。因此，从重离子核反应中提取状态方程的信息，依然有些不确定因素。人们不禁进一步思考，能否利用参与反应自由度少的反应类型，例如直接反应，来寻找核物质状态方程的敏感探针呢？答案是肯定的。许昌和他的合作者发现，根据Hugenholtz—Van Hove定理，饱和点附近的对称能及其密度依赖斜率，可以由中子和质子与原子核散射的全局光学势之差解析导出[14]。因此，只要分别得到质子和中子与原子核的光学势，就能够导出对称能的密度依赖。
【参考文献】：
期刊论文
[1]双中子星的并合及其引力波和电磁信号[J]. 肖笛,耿金军,戴子高. 物理. 2019(09)
本文编号：3232649
【文章来源】：物理. 2020,49(03)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图1 两个中子星并合过程的示意图(引自参考文献[4])
虽然原子核的线度很小，但是不管在对撞实验中，还是在固定靶实验中，物理学家总有办法让弹核和靶核以一定的概率撞到一起发生反应，这听起来有点不可思议。对重离子核反应的分类，正是依据入射能量和碰撞参数来进行的，当弹靶确定之后，不同的入射能量或者碰撞参数，导致的结果是不同的。在能量很低时，弹核和靶核可能发生熔合反应，生成更重的复合核，伴随着复合体系的高速旋转和粒子蒸发过程。当能量升高后，反应变得更剧烈，原子核可能会被打散甚至发生多重碎裂的过程，或者被短暂压缩，在很小的体积内形成密度很高、寿命很短的核物质。当能量足够高，可能还会产生新的粒子甚至发生从核物质到夸克胶子等离子的相变过程。我们暂时把讨论局限在每核子几十兆电子伏这样的重离子核反应中。这个能区的重离子反应过程是极为复杂的。复杂性主要表现在如下几个方面：(1)反应的时间极短，约为10-21s量级，因此对原子核反应的直接“摄像”变得几乎不可能；(2)反应机制复杂，每个反应事例有数十个甚至数百个核子参与，核子与核子之间存在相互关联，每个核子除了受到其他核子提供的作用势(包括核势和库仑势)之外，还会与其他核子频繁发生两两碰撞的过程；(3)体系可能高速转动，携带很大的角动量；(4)由于这是一个有限大小的体系，而且作用时间短，整个过程可能是一个非平衡过程。上述复杂性，使得通过对反应末态产物的测量来重构整个碰撞过程变得较为困难。理论上对重离子核反应的描述，需通过输运模型来实现。目前有两种主要的输运模型方法，一种是基于量子分子动力学(Quantum Molecular Dynamics，简称QMD)的逐事件描述方法，另一种是基于Boltzmann—Uehling—Uhlenbeck(简称BUU)方程的测试粒子方法。
随着核物理探测技术的进步，这方面的测量精度可以进一步改善。相比于本世纪初的实验条件，现在的探测器和电子学技术更好，具有更高的位置分辨、能量分辨和粒子鉴别本领，因此小角关联函数的测量精度将得到显著改善，可以用于研究不同同位旋粒子发射时标之间的差异。清华大学物理系近年来搭建了一个小型的核反应测量谱仪(a Compact Spectrometer for Heavy Ion Experiment，简称CSHINE)，这一谱仪采用大面积的位置灵敏平行板雪崩计数器(PPAC)来记录裂变产生的重碎片，采用六套先进的硅条望远镜阵列测量符合出射的轻粒子，既可以精确测量出射粒子的种类和能量，也可以精确测量其出射角度。图4为CSHINE的结构示意图。我们利用该谱仪在我国的大科学装置——兰州重离子研究装置(HIRFL)上完成两轮重离子核反应的束流实验，有望在不久的将来，取得数据分析的结果。值得一提的是，在重离子核反应中，参与反应的自由度极多，大量反应道打开，描述重离子核反应的输运模型参数多，物理机制和数值处理复杂，这可能导致不同的模型计算结果之间亦可能存在差异[13]。因此，从重离子核反应中提取状态方程的信息，依然有些不确定因素。人们不禁进一步思考，能否利用参与反应自由度少的反应类型，例如直接反应，来寻找核物质状态方程的敏感探针呢？答案是肯定的。许昌和他的合作者发现，根据Hugenholtz—Van Hove定理，饱和点附近的对称能及其密度依赖斜率，可以由中子和质子与原子核散射的全局光学势之差解析导出[14]。因此，只要分别得到质子和中子与原子核的光学势，就能够导出对称能的密度依赖。
【参考文献】：
期刊论文
[1]双中子星的并合及其引力波和电磁信号[J]. 肖笛,耿金军,戴子高. 物理. 2019(09)
本文编号：3232649
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hkxlw/3232649.html
