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论文信息
题目：原子核中的α团簇对核反应与相对论重离子碰撞的影响
作者：马余刚
DOI：DOl: 10.11889/j.0253-3219.2023.
hjs.46.080001
关键词：原子核内α团簇，巨共振，核子-核子关联，集体流，双强子关联
研究内容
团簇结构可以稳定存在于原子核的内部。研究原子核的α团簇结构及其影响在核物理与天体物理中是一个十分重要的课题。本文主要总结了在核反应与相对论重离子碰撞中对原子核的α团簇结构效应的研究。
课题组从2014年开始关注原子核内的α团簇结构，通过低能核反应的巨偶极共振以及核反应中的粒子的发射与关联、集体流等研究原子核的团簇结构作为切入点，一直把原子核的团簇效应延伸推广到相对论重离子碰撞中，比如对集体流以及其涨落、HBT（Hanbury Brown and Twiss）关联、多重性关联、双强子方位角关联、电磁场等等的一系列研究。
研究进展
1原子核构型与巨共振
1.1EQMD框架下的巨偶极共振（Giant Dipole Resonance，GDR）
巨偶极共振可以表示为原子核的所有中子的质心和所有质子的质心发生的偶极振荡，经过傅里叶变换后，可计算γ峰。通过比较GDR的特征峰与原子核初态结构的关系，可以分析原子核的α团簇效应。沿着α构型核的长轴短轴分别激发，就可以得到不同团簇构型原子核的GDR激发谱。计算表明，诸如12C、16O这类具有α团簇结构的核，不论具体的构型分布如何，当其沿着短轴激发时，都将在30 MeV附近形成一个由于α团簇引起的特征峰位。即使对于α团簇的非共轭核，类似的也在30 MeV附近观察到了α团簇的特征峰。
1.2 α团簇与光核反应
作者团队还开发了基于EQMD模型的光核反应计算方法，利用分析高能光子入射到α构型核的末态产物，来研究原子核的几何构型。例如通过12C(γ, np)10B的反应道，分析余核相对于中子-质子质心的超角分布来区分12C三种不同构型核。除此以外，还可以利用光核反应的双质子出射道，通过核子-核子动量关联函数对α团簇构型有一个判断，并对发射源的尺寸进行提取。
2 原子核团簇与相对论重离子碰撞
2.1 α团簇结构与椭圆流和三角流的关系
作者团队利用多相输运模型（AMPT），将反应能量推广到较高的能区，进一步将α团簇效应扩展到夸克自由度中。虽然坐标空间的信息在模型上是可以研究的，但在实验上不可直接观测；然而对应的动量空间在实验上是能够观测的。通过模拟12C+197Au碰撞系统在质心系能量E/A=10, 200 GeV的结果，发现集体流的多重数依赖对α团簇效应敏感。特别的，椭圆流对长链结构敏感而三阶流对三角构型敏感。对于有α团簇结构的那些原子核而言，他们的一阶、二阶、三阶、四阶偏心率会偏离标度率，这意味着不同阶次偏心率同样也是α团簇效应的敏感探针。
2.2 α团簇结构与集体流的涨落和多重性关联
本文的研究发现对于三阶流的涨落，三角形的α团簇分布的kurtosis（峰度）涨落的绝对值要远远大于球形核（WS分布）的涨落。WS的kurtosis涨落在零附近，但是三角形的涨落是负的值，甚至要到-1左右。但对于的偏度（skewness）和的偏度和峰度，都没有看到明显的差别。由此，若对三角流进行高阶的涨落研究可以判别原子核是不是三角形构型。
2.3 α团簇结构与双强子方位角关联
双强子方位角关联是相对论重离子碰撞中的一个重要观测量。本文通过使用多相输运模型（AMPT）模拟质心系6.37 TeV的重离子对撞的中心碰撞事例，研究了一系列对称重离子碰撞体系，即从10B+10B， 12C+12C， 16O+16O， 40Ca+40Ca， 96Zr+96Zr到 197Au+197Au，其中涉及α团簇结构的是12C和 16O的对撞系统。结果表明，在Woods-Saxon分布和α团簇结构之间，双强子关联函数的远离侧RMS宽度和Kurtosis参数有明显区别，这说明通过碰撞系统扫描的双强子方位角关联作为区分α团簇核的探针。
2.4 α团簇结构和光子的集体流
直接光子与热光子不受核介质的影响，相较于自由粒子，光子是核反应早期良好的探针。通过模拟86Kr+12C在E/A=44 MeV的反应，提取了直接光子的直接流和椭圆流，模拟结果显示直接光子的直接流亦对构型敏感，能够将三角构型和球型核进行区分；通过计算200 GeV∙c−1质心系能量下，12C+197Au的反应体系给出的热光子的椭圆流和三阶流，结果同样也表明热光子十分敏感于炮弹核的构型。
2.5 α团簇结构与方位角相关的HBT半径
作者团队也利用高能重离子核反应中末态中子-质子或者质子-质子的动量关联函数以及发射源半径的平方随着方位角分布的依赖性来分析原子核中的团簇效应。通过提取发射源半径的平方和方位角分布的依赖关系，发现链状的12C的分布要大于三角构型。这也显示α团簇对于动量关联函数提取的半径大小是非常敏感的。
2.6 机器学习α团簇结构
通过机器学习的办法来判别核-核碰撞的末态中系统的初态对应的是否12C的三角形，或者是16O的四面体。本文用12C或16O和197Au发生碰撞，碰撞的质心系能量在200 GeV，通过机器学习的办法最后可以给出非常高的精度，以90%的精度可以来判断初态是有α团簇的12C，还是α团簇的16O结构。因此，机器学习的方法的确是很有用的，可以通过这种方法来判断特定碰撞核的初态结构。
2.7 α团簇结构与电磁场分布
在高能重离子碰撞中，由于带电的重离子速度非常快，会产生很大电磁场。本文也研究了α团簇的原子核对电磁场的影响。AMPT模型的计算结果展示了球形、链状、以及三角形的12C的12C +197Au碰撞模拟。比较发现，电磁场的结果在不同的构型下确有差别。
结 论
作者团队利用EQMD模型计算获得了12C和16O的不同α团簇结构，并发现其巨共振特征峰位，推广计算了非α共轭核团簇结构轻核的巨偶极共振，都能较好地描述实验结果。利用光核反应机制，研究了12C和16O衰变道的HBT关联，给出在不同的α团簇结构的原子核的双质子关联的差异，指出了它与构型与源尺寸的关系。在相对论重离子碰撞中，集体流对α团簇结构非常敏感的。α团簇不同构型的初态几何涨落，导致末态粒子的集体流高阶涨落，偏心率以及双强子关联产生了不同程度的影响。由于原子核的几何分布不同，在重离子碰撞中里面产生的电磁场的大小也是有差别的。另外，机器学习对于构型的识别上是一种很有潜力的方法。总之，原子核内的α团簇效应是一个非常有趣的课题，能把低能的核结构信息与中高能的重离子碰撞物理相联系。
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主编简介
主编：马余刚
中国科学院院士，美国物理学会会士，上海市物理学会理事长，上海核学会副理事长，国家自然科学基金“理论物理专款”第七届、第八届学术领导小组委员，中国物理学会常务理事，亚洲核物理联合会（ANPhA）理事。他是广东省基础与应用基础研究重大项目：高温高密核物质集体性质研究课题负责人，国家自然科学基金创新研究群体：重离子物理负责人，国家重点基础研究计划（973计划）：高温高密核物质形态研究首席科学家，中国科学院战略性先导科技专项（B类）：核物质相结构与重元素合成研究共同负责人，国家自然科学基金重大项目：量子色动力学的相结构和新颖拓扑效应研究负责人，中国科学院战略性先导科技专项（B类）：等离子体环境下聚变反应截面测量课题负责人，国家自然科学基金重点项目：基于STAR-TOF探测器上的能量扫描和强相互作用性质的实验研究负责人，国家杰出青年科学基金项目：热核的反应动力学和热力学负责人。
在核物理领域，他领导研究组发现了首个反物质超核-反超氚核、观测到了迄今最重反物质原子核-反氦4，并且首次测量了反质子-反质子相互作用力，2010年和2015年两次入选“中国科学十大进展”，2001和2016年先后两次获得“国家自然科学奖二等奖”，2015年获“国际华人物理与天文学会-亚洲成就奖”，2008年获“上海自然科学奖二等奖”，2014年获“上海自然科学奖一等奖”。
转自：“学术猫”微信公众号
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