上海交大陳列文課題組與合作者提出確定原子核中子皮厚度新方法

2020-12-14 上海交通大學新聞網

近日，美國物理學會《物理評論快報》【Physical Review Letters 125, 222301 (2020)】刊發了上海交通大學物理與天文學院陳列文課題組與合作者題為「Probing the Neutron Skin with Ultrarelativistic Isobaric Collisions」的文章。該工作首次提出使用極端相對論重離子碰撞來確定原子核的中子皮厚度，進而約束核物質的對稱能。

原子核是物質結構的一個重要層次，由中子和質子構成。原子核內中子和質子的密度分布是核物理中的一個基本問題。對於比較重的原子核，中子數一般多於質子數，原子核內中子密度分布比質子密度分布更為延展，從而導致中子皮結構的出現。中子皮的厚度定義為中子與質子密度分布的均方根半徑之差。實驗上，原子核內質子密度分布可以通過電磁相互作用過程進行精確測量，而中子由於不帶電，其密度分布的精確測量一直是核物理中的一個難題。

原子核的中子皮厚度與核物質的對稱能密切相關。中子皮厚度的實驗數據可以用來約束核物質對稱能的密度依賴行為，後者目前具有很大的不確定性。核物質是指由中子和質子組成的無窮大均勻物質體系，其狀態方程是核物理和天體物理中的一個基本問題。核物質對稱能表徵了由於中子和質子比份不同而引起的核物質狀態方程的變化，對於理解原子核的存在極限、豐中子核引起的核反應、超新星爆發機制、中子星的結構以及中子星併合引發的引力波等具有重要意義。

圖1 原子核96Ru和 96Zr的中子和質子的徑向密度分布

圖2 96Ru+96Ru和96Zr+96Zr中心碰撞帶電粒子多重數相對差與中子皮厚度的關係

該項工作發現利用同質異荷(isobaric)原子核引起的極端相對論重離子碰撞(96Ru+96Ru以及96Zr+96Zr)帶電粒子產生多重數分布，可以高精度提取中子皮厚度，進而對核物質對稱能進行約束。目前，位於美國紐約長島布魯克海文國家實驗室(BNL)的相對論重離子對撞機(RHIC)已完成96Ru+96Ru和96Zr+96Zr在核子-核子質心系能量為200GeV的對撞實驗，實驗數據正在分析中，有望高精確提取原子核中子皮厚度，進而對核物質對稱能給出新的更加嚴格的約束。

該項工作的論文第一作者是武漢科技大學李漢林博士，通訊作者為湖州師範學院徐浩潔博士，陳列文教授，以及普渡大學王福強教授。上海交大物理與天文學院博士生周穎，湖州師範學院王小保副教授，以及普渡大學趙傑博士參與了該項工作。該研究得到了中國國家自然科學基金以及科技部973項目等的支持。

論文連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.222301

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