中能重离子碰撞与 非对称核物质性质研究 雍高产 2012年8月7日

Ⅰ. 为什么研究非对称核物质？

核物质的形成 高温，高密核物质状态方程的研究是核物理的最基本问题，一般通过重离子核反应来研究高密核物质的性质 ImQMD calculations, 112Sn +112Sn, 50 AMeV Y.Zhang et al., arXiv:1009.1928

对称 (N = Z) 核物质状态方程 饱和密度ro ~ 0.17 fm-3 ; 核子结合能 巨共振 对称核物质每核子能量 E0(ρn=ρp) 饱和密度ro ~ 0.17 fm-3 ; 核子结合能 E/A ~ -16 MeV ; 压缩系数K ~ 230 ± 20 MeV

高密对称核物质 100 Pressure (MeV/fm3) 通过流数据与理论比较， 通过30年许多人的努力， 问题已基本解决 Danielewicz, Lacy, Lynch, Science 298,1592 (2002) Pressure (MeV/fm3) 100 通过流数据与理论比较， 通过30年许多人的努力， 问题已基本解决 10

一般核物质状态方程 Constraints at high densities have been extracted poorly known especially at high densities BHF B.A. Li , L.W. Chen, Che Ming Ko, Phys. Rep. 464, 113 (2008). W.G. Lynch, et al., arXiv: 090.0412, [nucl-ex]

国际上在建、已建的放射性束流线 为对称能的研究提供了机遇 CIAE IMP

放射性束流由不稳定的易衰变核组成 已经广泛研究 核物理新的分支 对称核物质 ρn=ρp density ρ=ρn+ρp 稳定谷：小非对称度 12 12 12 18 18 3 已经广泛研究 对称核物质 ρn=ρp density ρ=ρn+ρp 稳定谷：小非对称度 核物理新的分支 同位旋物理，RIA物理… 同位旋非对称度 δ=(ρn-ρp)/ρ

对称能的应用 J. M. Lattimer and M. Prakash, Science Vol. 304 (2004) 536-542 对称能的应用 J.M. Lattimer and M. Prakash, Science Vol. 304 (2004) 536-542. A.W. Steiner, M. Prakash, J.M. Lattimer and P.J. Ellis, Phys. Rep. 411, 325 (2005). n/p π-/π+ Isospin physics isodiffusion isotransport in isocorrelation Terrestrial Labs isofractionation t/3He K+/K0 isoscaling 核物理 天文

晕核，皮核

208Pb 的中子皮厚与对称能在饱和点附近的 导数有正比关系 Rn-Rp (fm) for 208Pb Neutron-skin B.A. Brown PRL85, 5296 (2000) C.J. Horowitz and J. Piekarewicz, PRL 86, 5647 (2001)

中子星

中子星半径决定于 (dEasy/dr)2ro 中子星的冷却: 硬的对称能 大半径 快冷却 硬对称能 硬 软 EoS differ only in Esym(). URCA process possible for proto-neutron star cooling if fp > 0.1. IF EoS Stiff J.M. Lattimer and M. Prakash, Science Vol. 304 (2004) 536-542.

Ⅱ. 用什么方法？

非平衡态Boltzmann 输运方程 1872年

Uehling-Uhlenbeck 碰撞项 1933年 增加了费米子泡利阻塞相因子，散射几率用截面代替

方程是Time Dependent Hartree—Fock (TDHF) 一级近似 Vlasov 引入平均场 1938年 平均场 方程是Time Dependent Hartree—Fock (TDHF) 一级近似 基于密度矩阵理论+ Hartree-Fock势+Wigner transform

BUU 方程 G.F. Bertsch, S.D. Gupta，Phys. Rep. 1988, 160, No.4, 189-233 求解耦合输运方程 采用试验粒子与 Monte Carlo 技术网格法数值求解 G.F. Bertsch, S.D. Gupta，Phys. Rep. 1988, 160, No.4, 189-233 W. Cassing, V. Metag, U. Mosel, K. Niita, Phys. Rep. 1990, 188, No.6, 363-449

BUU的程序求解 碰撞核的初始化(确定核子坐标，动量) 核子碰撞判断(截面，泡利阻塞?) 位置更新 (速度) 动量更新(平均场，库伦势，磁力，引力？) 哈密顿正则方程，动量相关势

(1) 初始化: 坐标空间: 由结构模型, 比如, RMF, SHF 来计算中子、质子的分布 (2) 动量空间: 局域 Thomas-Fermi (3) 稳定性检验

(2) 平均场: a). 密度相关 b). 密度、动量、同位旋相关势

对称势 、标量势、同位旋非对称度 矢量势、标量势要与现有实验数据一致

(3) 核子散射截面: in neutron-rich matter is the reduced mass of the colliding pair NN in medium 自由空间截面采用实验值 介质中截面密度/动量以及同位旋相关

核子/介子 非弹性散射截面 B.J. VerWest. et al PRC25,(1982)1979 Detailed balance principle BB treated as NN decay Elastic cross sections Breit-Wigner formula 考虑了同位旋多重态, 电荷守恒, 能动守恒 Bao-An Li et al , International Journal of Modern Physics (2001)E 10

低能：初始化/平均场/泡利阻塞等处理比较仔细高能：主要大量加入各种粒子之间的作用截面 BUU不同版本 IBUU （同位旋物理，几百MeV束流能量） ART （AGS, 20GeV 以下） AMPT （RHIC/LHC, GeV，TeV） GIBUU （多功能） RBUU （考虑协变） Boltzmann-Langevin Equation (碎片处理) BUU+coalescence/SMM (碎片处理) 低能：初始化/平均场/泡利阻塞等处理比较仔细高能：主要大量加入各种粒子之间的作用截面

IsospinBUU 同位旋（质子中子区别对待）依赖的初始化 同位旋依赖的平均场 同位旋依赖的截面 同位旋依赖泡利阻塞

A Relativistic Transport model 重子-重子截面 介子-重子截面 介子-介子截面 实际200多反应道；包含不确定性和假设

A multi-phase transport model HIJING energy in nucleon Excited strings and minijet partons A+A Fragment into partons ZPC (Zhang's Parton Cascade) Till Parton freezeout Coalescence into hadrons ART (A Relativistic Transport model for hadrons) Decay all resonances; Final particle spectra Lin et al., Phys.Rev.C72:064901,2005

Ⅲ. 怎样研究？

对称能敏感观测量 (heavy-ion reaction studies) Moderate density (r < 1.5 ro) : Fragment isotope distribution, isotopic & isobaric yield ratios N/Z equilibration / diffusion/ nuclear stopping Pre-equilibrium n/p ratio Particle - particle correlation Light cluster production Flow Neutron skins Proton-nucleus elastic scattering Parity violating electron scattering studies at JLab High density (r > 1.5 ro) : Collective flow (p differential elliptic flow, n-p differential transverse flow) pion, Kaon production n/p ratio at mid-rapidity Astrophysical observations

低密对称能 From L.C. Chen Esym(ρ0)=27 - 36 MeV L=30 - 90 MeV

FOPI, exp W.Reisdorf et al. NPA781 (007) 459 Pion ratios in comparison to FOPI data (W.Reisdorf et al. NPA781 (2007) 459) MDI, x=0, mod. soft Xiao,.. B.A.Li, PRL 102 (09) MDI, x=1, very soft NLrd, stiff Ferini, Gaitanos,.. NPA 762 (05) NLr, linear g=2, stiff Feng,… PLB 683 (10) SIII, very soft FOPI, exp W.Reisdorf et al. NPA781 (007) 459 From Hermann Wolter Contradictory results of different calculations;

Present constraints on the symmetry energy p+/p- ratio, Feng, et al. (ImIQMD) Moving towards a better determination of the symmetry energy Large uncertainties at higher density Conflicting theoretical conclusions for pion observables. Work in experiment and theory necessary! Au+Au, 400AMeV, FOPI S(r) [MeV] r/r0 Fermi Energy HIC, MSU p+/p- ratio B.A. Li, et al.

Large uncertainty of symmetry potential R.Chen, B.Cai, L.W.Chen, B.A.Li, Phys.Rev.C85(2012)024305 less Known Especially at High density and high momentum

(1) 找敏感的、不确定性少的观测量！

椭圆流 Y 垂直反应平面 往往优先发射 Z ＝束流方向 Y X X 反应平面

挤出流n/p G.C. Yong, et al, Phys. Lett. B650 (2007) 344 高横动量 n/p 也许是 高能核子来自于核物质高密区 挤压发射n/p高能部分非常敏感于 对称能 ，反应了对称能高密行为 半中心核核碰撞，挤压方向优先发射核子 垂直 方向 垂直 方向 G.C. Yong, et al, Phys. Lett. B650 (2007) 344 高横动量 n/p 也许是 近10年来敏感探针的最高发现！

挤出荷电pion比值 更敏感！ unpublished

中能重离子碰撞的光子发射 强子探针存在末态相互作用， 弱作用探针，只有电磁作用 经典产生几率 三个 反应道 量子产生几率 模型检验 光子产生几率约为1/1000 核子核子作用几率 模型检验

光子产生的对称能效应 G.C. Yong, et al, Phys. Lett. B661 (2008) 82 硬光子谱比有明显的对称能效应 光子来自于高密区，有对称能效应 对称能减小20％，比值增强15％！ G.C. Yong, et al, Phys. Lett. B661 (2008) 82

光子探测N-N散射截面 G.C. Yong, et al, Phys. Lett. B705 (2011) 240 光子发射能谱比值 与介质截面关联 G.C. Yong, et al, Phys. Lett. B705 (2011) 240

较强的平均场效应，较少的高激发态重子产生 极端阈下pion介子产生 敏感度提高5~10倍？！ 较强的平均场效应，较少的高激发态重子产生 F. Zhang, et al., Chin. Phys. Lett. Vol. 29, No. 5 (2012) 052502

其它对称能相关研究 双比等 观测量研究 探测的不确定性研究

研究高密对称能的挑战 对称势在高密情况下的密度、动量依赖性 NN截面在高密情况下的同位旋/密度/动量依赖性 多数核模型参数是由饱和密度核性质决定的 观测量是否敏感于这些不确定性？ 当对称能效应与模型误差可比拟，如何提高对称能效应(如何制造高度非对称核物质) ？

(2) 找非对称性大的物质

丰中子/丰质子核反应双比，双比: from Y. Gao 丰质子核反应研究 丰质子核反应: PRC84(2011)014607 丰中子/丰质子核反应双比，双比: from Y. Gao

极端条件下的核反应 中子星碰撞: 强磁场、强引力场

磁场强度 超强激光 重离子碰撞 世界最大的人造磁体: 100特斯拉 磁星：10^11-10^12 特斯拉 英国: 计划建造极端光线基础设施

强磁场条件下的核反应研究 宇宙线起源 中子质子分离 质子物质 核物质对称能 G.C. Yong, Phys. Lett. B700 (2011) 249

中子星 裸奇点 黑洞

强引力场条件下的核反应研究 引力充当加速器?! G.C. Yong, et al., in preparation

Ⅳ. 其它研究

基于加速器的中微子产生

中微子产生 Pion 产生 G.C. Yong, et al., Phys. Rev. C, 85(2012)024911

极端稀有Kaon衰变物理

稀有Kaon衰变，检验标准模型 G.C. Yong, et al., unpublished

质子散裂反应 强磁场导致丰质子液相物质产生 G.C. Yong, et al., EPL, accepted

总结 非对称核物质性质有很多问题值得研究 BUU输运模型是研究核物质性质、粒子输运的一个很有用的工具

谢谢大家！ 欢迎批评指正！