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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
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Ⅰ. 为什么研究非对称核物质？
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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:
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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
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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
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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: , [nucl-ex]
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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
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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
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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) 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
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晕核，皮核
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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)
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中子星
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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)
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Ⅱ. 用什么方法？
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非平衡态Boltzmann 输运方程 1872年
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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
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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
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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, W. Cassing, V. Metag, U. Mosel, K. Niita, Phys. Rep. 1990, 188, No.6,
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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
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(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
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(2) 平均场: a). 密度相关 b). 密度、动量、同位旋相关势
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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
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(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
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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
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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
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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
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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
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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
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Ⅲ. 怎样研究？
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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
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低密对称能 From L.C. Chen Esym(ρ0)= MeV L= MeV
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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;
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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.
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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
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(1) 找敏感的、不确定性少的观测量！
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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
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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！
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挤出荷电pion比值 更敏感！ unpublished
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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
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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
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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
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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)
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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
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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) ？
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(2) 找非对称性大的物质
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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
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极端条件下的核反应 中子星碰撞: 强磁场、强引力场
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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
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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
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中子星 裸奇点 黑洞
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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
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Ⅳ. 其它研究
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基于加速器的中微子产生
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中微子产生 Pion 产生 G.C. Yong, et al., Phys. Rev. C, 85(2012)024911
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极端稀有Kaon衰变物理
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稀有Kaon衰变，检验标准模型 G.C. Yong, et al., unpublished
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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
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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
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谢谢大家！ 欢迎批评指正！
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