【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）重離子碰撞中的同位旋及近閾K產(chǎn)生-粒子物理博士論文

i, at - i - 摘要 重離子碰撞中的同位旋和近閾 K 產(chǎn)生均為當(dāng)今核反應(yīng)研究的前沿內(nèi)容和熱點(diǎn)問(wèn)題。我們?cè)谕恍嚓P(guān)的量子分子動(dòng)力學(xué)（ 型及自洽的相對(duì)論 型基礎(chǔ)上對(duì)它們作了一些理論研究，得到了一些有意義的理論成果。 在中能重離子碰撞的同位旋研究方面，分別研究了對(duì)稱勢(shì)的強(qiáng)度（ 中能重離子核反應(yīng)各類碎片產(chǎn)物產(chǎn)額、相空間、及其同位旋的分布等多種實(shí)驗(yàn)觀測(cè)量的影響，以獲取對(duì)稱勢(shì)的信息。我們的研究表明越豐中子核系統(tǒng)的中子 賴 。 用 型研究了介質(zhì)兩體截面的同位旋相關(guān)性，研究結(jié)果表明截面的介質(zhì)修正也是同位旋依賴的：中子 中子 子 介質(zhì)截面對(duì)核密度的依賴很強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上我們研究了核阻止本領(lǐng)對(duì)系統(tǒng)大小、初始核 N/Z、平均場(chǎng)中對(duì)稱勢(shì)以及兩體散射截面介質(zhì)修正等的依賴情況，研究結(jié)果表明它受初始核 N/Z 比以及對(duì)稱勢(shì)的影響很弱，而受碰撞截面介質(zhì)修正的同位旋依賴效應(yīng)及核態(tài)方程影響明顯。我們的結(jié)果還表明測(cè)量中等大小質(zhì)量的系統(tǒng)在中能重離子碰撞中的核阻止本領(lǐng)激發(fā)函數(shù)比測(cè)量重的系統(tǒng)能提供更為 確切的有關(guān)兩體截面介質(zhì)修正的信息。進(jìn)一步地，利用不同的同位旋相關(guān)觀測(cè)量我們還研究了系統(tǒng)平衡程度問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)中子 00A 反應(yīng)系統(tǒng)的平衡程度比 100A 射能量時(shí)要高，中心快度區(qū)的系統(tǒng)基本達(dá)到平衡，而彈、靶快度區(qū)則存在明顯的入射道效應(yīng)。通過(guò)比較不同能量（ 100 和 400A 出射 ，我們發(fā)現(xiàn)它隨著能量的上升而下降。 在中高能重離子碰撞的 K 產(chǎn)生方面，我們首先研究了 K+產(chǎn)生。研究表明 K+集體流在相對(duì)論重離子碰撞中對(duì)核態(tài)方程和 量吸引項(xiàng)（ 是敏感的，計(jì)算結(jié)果表明核子和 K+介子的橫向集體流都需要壓縮系數(shù)在 K200 300 圍內(nèi)較軟的核態(tài)方程，而大約為 200 - 400 +流產(chǎn)生是合適的。較大碰撞參數(shù)下的 K+集體流顯示出更加靈敏地依賴于 可能獲得 著我們又研究了 介子的吸收問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)雖然有強(qiáng)烈的 吸收存在，其能譜在不太重的核系統(tǒng)的非中心碰撞中仍顯示出對(duì) 可能提供 在核介質(zhì)中性質(zhì)的知識(shí)。我們的研究表明 K+/ 產(chǎn)額比是與核系統(tǒng)大小相關(guān)的，這種相關(guān)性 與 介子在核介質(zhì)中所受的吸收效應(yīng)有關(guān)。通過(guò)對(duì)不同核系統(tǒng)中的 平均吸收路程及不同產(chǎn)生道的細(xì)致研究，表明 介子產(chǎn)生、吸收的程度與系統(tǒng)的大小、 產(chǎn)生元過(guò)程等有關(guān)。需要強(qiáng)調(diào)指出的是，在以上 產(chǎn)生過(guò)程的研究中我們發(fā)現(xiàn) 和 有重要影響。 - 關(guān)鍵詞 ：重離子碰撞，同位旋， K 產(chǎn)生 i, at - 英文摘要） in in on we As of in weve as of is to P. of be to P. In of in we of is *npon *on on we of on , SP of Its of , of on of of of of of of of of We to of is a to of of in of =400A is =100A , we + is to of of of + a “20000eV to + We at to be KN of K is we K K K in of + on of is by of in By on of in of of we on of It be in K 慶峰： 重離子碰撞中的同位旋及近閾 ：李祝霞 i, at - v - 目錄 摘要 . i 英文摘要） . 錄 . v 第一章 序言 . 1 第二章 研究基礎(chǔ) . 5 子分子動(dòng)力學(xué)模型（ . 5 論 . 5 運(yùn)過(guò)程 . 13 型的發(fā)展 . 18 對(duì)論 . 20 統(tǒng) 論的發(fā)展歷史 . 20 洽 論 . 21 運(yùn)過(guò)程及與 型的比較 . 28 第三章 中能重離子碰撞中的同位旋 . 31 稱勢(shì) . 31 質(zhì)中兩體彈性散射截面的同位旋依賴 . 37 位旋相關(guān)性在 序中的實(shí)現(xiàn) . 46 于同位旋問(wèn)題的一些模型計(jì)算及討論 . 48 稱勢(shì)對(duì)多重碎裂產(chǎn)物的同位旋分布影響 . 48 統(tǒng)平衡程度探索 . 54 體截面的同位旋效應(yīng)對(duì)核阻止本領(lǐng)的影響 . 59 第四章 中高能重離子碰撞中的 K 產(chǎn)生 . 63 介子勢(shì) . 63 介子產(chǎn)生基本截面 . 67 算結(jié)果及討論 . 69 區(qū)重離子碰撞的 K+產(chǎn)生及集體流 . 69 區(qū)重離子碰撞的 K 吸收對(duì)其產(chǎn)生的影響 . 76 介子研究進(jìn)展 . 83 第五章 總結(jié)及展望 . 85 附錄 . 89 附錄 . 89 附錄 . 92 附錄 . 94 附錄 . 97 參考文獻(xiàn) . 99 博士期間發(fā)表的論文 . 105 致謝 . 107 李慶峰： 重離子碰撞中的同位旋及近閾 ：李祝霞 i, at - 1 - 第一章 序言 1896 年 3 月 1 日是每一位核物理研究者都需要知道的日子，貝克勒爾（ 1852在這一天發(fā)現(xiàn)了硫酸鈾酰鉀（ ）的天然放射性現(xiàn)象 1，并在隨后的 1903 年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)，自此人類才真正開始了原子核的探索歷程。 1911 年，盧瑟福（ 1871 1908 年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）著名的 粒子散射實(shí)驗(yàn) 2和其相應(yīng)的原子及放射性現(xiàn)象理論概念的提出使他享有了“原子核物理之父”的美譽(yù)。他為人們第一次描繪出了行星模型式的原子 草圖，并奠定了核理論和實(shí)驗(yàn)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 1932 年查德威克（ 1891 1935 年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)）發(fā)現(xiàn)中子 3及同年的海森堡（ 1901 1932 年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)）所提出的原子核是由質(zhì)子和中子組成的假說(shuō) 4為人們最終奠定了原子核結(jié)構(gòu)的早期模型，從而打開了原子核研究的廣闊天地。隨著對(duì)宇宙起源、超新星爆發(fā) 以及中子星性質(zhì)等研究的深入，人們對(duì)高溫、高密核物質(zhì)性質(zhì)研究的分析也在不斷深入，人們希望能在實(shí)驗(yàn)室中研究高溫、高密核物質(zhì)的愿望也越來(lái)越迫切。在人們對(duì)原子核正常狀態(tài)下基本性質(zhì)的深入了解以及各國(guó)加速器水平的不斷增強(qiáng)的基礎(chǔ)上，上個(gè)世紀(jì)的八、九十年代，中高能重離子碰撞實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)在各國(guó)已建立多個(gè)用于中高能重離子碰撞的實(shí)驗(yàn)室，如德國(guó)的 國(guó)的 國(guó)的 本的 大利的 洲的 著次級(jí)束裝 置（如 ）的建立，人們對(duì)非常不對(duì)稱核物質(zhì)性質(zhì)的研究也在不斷加深。另外，隨著碰撞能量的增加，各種新的粒子產(chǎn)生也成為重離子碰撞的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。人們從來(lái)沒有象現(xiàn)在這樣面對(duì)如此豐富的核物理圖景，不同反應(yīng)體系 （包括 N/Z 比）、不同能區(qū) E、不同碰撞參數(shù) b 的核反應(yīng)所展現(xiàn)出的大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為核物理實(shí)驗(yàn)和理論研究者們提供了十分便利的研究條件，從而也使中高能重離子碰撞成為核物理研究中嶄新且極為重要的一種研究方法。 雖然一個(gè)核體系最多也只有幾百個(gè)核子，人們對(duì)核內(nèi)部的理解 和分析卻還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有完成。這一方面固然是由于核體系的小尺寸（半徑為幾個(gè) 反應(yīng)時(shí)間的短促（對(duì)中能核反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間小于幾百個(gè) fm/c， 1 fm/c0s），另一方面，人們對(duì)核力的研究還在繼續(xù)。核物質(zhì)狀態(tài)方程 核物質(zhì)研究的關(guān)鍵，雖然人們已就這個(gè)方面研究多年并且對(duì) 了比較確定的知識(shí)，但是仍然存在的不確定性還是足以讓人們對(duì)核性質(zhì)及反應(yīng)過(guò)程的了解產(chǎn)生極大的混亂。實(shí)驗(yàn)上人們也正基于這個(gè)目的從多個(gè)角度廣泛地研究中高能重離子核反應(yīng)，這主要體現(xiàn)在：1、從測(cè)量對(duì)象上主要有對(duì)出射核子、輕帶電粒子、 中等質(zhì)量碎片、重塊、各種介子等； 2、在物理觀測(cè)量方面主要是測(cè)量它們的各種譜分布、集體流效應(yīng)、同位旋第一章 序言 - 2 - 分布、同位素分布、產(chǎn)額比分布等。為了對(duì)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以定量地分析和研究，建立相應(yīng)的理論模型是必需的，現(xiàn)在采用某種理論模型所得到的結(jié)果與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)作比較已經(jīng)成為獲知核狀態(tài)方程最重要的途經(jīng)之一。由于對(duì)核反應(yīng)過(guò)程的理解不同，人們?cè)谶@一領(lǐng)域構(gòu)造的模型主要分為兩大類： 1、基于統(tǒng)計(jì)平衡的模型，如：5， 6， 789， 10， 1， 1213等。 2、基于非平衡動(dòng)力學(xué)輸運(yùn)的模型，如 (R)(1415 ， (R)( 161718， 30等等。人們驚奇地發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)的中能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的 分析上，這兩方面的模型總是可以成功的，如何理解這種根本理論不同而結(jié)果又相似的現(xiàn)象是理論研究的一個(gè)方興未艾的熱點(diǎn)。這些年來(lái)統(tǒng)計(jì)假設(shè)和非平衡動(dòng)力學(xué)假設(shè)的并行發(fā)展和互相促進(jìn)，一方面也說(shuō)明了核物理研究的極端復(fù)雜性，同時(shí)也似乎表明了在核反應(yīng)過(guò)程中可能會(huì)同時(shí)存在這兩種現(xiàn)象，即可能存在的局域平衡問(wèn)題。同位旋相關(guān)觀測(cè)量的實(shí)驗(yàn)和理論研究為此提供了新的途徑：如果假設(shè)反應(yīng)（局域）不平衡存在，那么相應(yīng)地，產(chǎn)物的同位旋分布就有可能存在入射道記憶效應(yīng)，從而為我們研究核反應(yīng)平衡問(wèn)題增添了一種有力的工具。近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的同位旋核物理研 究已展現(xiàn)出新的曙光，成為核物理研究的一個(gè)重要前沿。 在中能重離子碰撞同位旋的研究中，除了應(yīng)該考慮反應(yīng)系統(tǒng)（初始核系統(tǒng)大小及同位旋分布，碰撞參數(shù)，入射能量）的不同外，為了更加深入地理解它對(duì)整個(gè)核反應(yīng)過(guò)程的影響，在理論研究中我們還需要考慮那些影響最終產(chǎn)物同位旋分布的量，如庫(kù)侖效應(yīng)、對(duì)稱勢(shì)、兩體碰撞（包括 塞和介質(zhì)修正的兩體截面）的同位旋依賴等。 在對(duì)中子星的研究中人們已經(jīng)知道核態(tài)方程的同位旋依賴對(duì)中子星結(jié)構(gòu)有極其重要的作用。隨著核結(jié)構(gòu)將研究興趣向偏離 穩(wěn)定線的延伸，同位旋的作用進(jìn)一步引起了人們的廣泛關(guān) 注，對(duì)它的研究也更加深入和全面。對(duì)稱勢(shì)有兩個(gè)方面將會(huì)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的同位旋分布產(chǎn)生重要影響：對(duì)稱勢(shì)強(qiáng)度、對(duì)稱勢(shì)隨核密度的依賴形式。這些年來(lái)人們對(duì)對(duì)稱勢(shì)強(qiáng)度的研究已經(jīng)有很多，實(shí)驗(yàn)上也得到了較確切的值，但仍存在相當(dāng)分歧。尤其，人們對(duì)對(duì)稱勢(shì)隨密度依賴形式地了解還相當(dāng)缺乏。研究表明中能核反應(yīng)有可能提供相關(guān)的信息，因此，本論文將重點(diǎn)研究中能重離子碰撞中的同位旋問(wèn)題。 兩體碰撞截面是影響反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的重要因素，隨著入射能量的增加，核子與核子之間的碰撞加劇，碰撞截面對(duì)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程的影響也就增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)只能得到第一章 序言 - 3 - 自由核子 面，核子 后通過(guò)某些敏感觀測(cè)量與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較間接得到截面的介質(zhì)依賴信息。本文中我們即通過(guò)自洽 法從理論上研究介質(zhì)中核子 近閾和閾下重離子碰撞中的 K 介子產(chǎn)生問(wèn)題是近十多年來(lái)中高能重離子碰撞中的一個(gè)熱點(diǎn)，其重要原因之一是由其固有的物理性質(zhì)所決定的。 從 我們知道， K+的夸克組成為 有一個(gè)奇異反夸克，同時(shí)，又由于 K+介子主要產(chǎn)生在碰撞的早期，此時(shí)的核物質(zhì)處于高溫 、高密狀態(tài)，由奇異數(shù)守恒將導(dǎo)致 K+一旦產(chǎn)生就不會(huì)在末態(tài)反應(yīng)中被吸收掉，因此就會(huì)帶有其在產(chǎn)生時(shí)的高溫高密核物質(zhì)性質(zhì)的信息，這同時(shí)也為我們研究高溫高密核物質(zhì)中的 K+自身性質(zhì)提供了便利條件。另外，在用相對(duì)論平均場(chǎng)方法研究中高能重離子碰撞的粒子產(chǎn)生時(shí)我們還會(huì)涉及一個(gè)重要的理論問(wèn)題，即強(qiáng)子在高溫、高密環(huán)境下其質(zhì)量可能會(huì)被“修正”20242526。為此，在 K+或 K 的產(chǎn)生閾附近就會(huì)帶有這方面的許多重要信息，它們的豐度和譜分布也將會(huì)受到影響。 K （ = 產(chǎn)生后雖然有強(qiáng)烈的吸收，但它在閾附近的產(chǎn)生問(wèn)題也受到特別的關(guān)注，這一方面是因?yàn)橛墒终骼碚撚?jì)算獲知K 介子質(zhì)量隨核密度的上升而下降，就有可能產(chǎn)生 聚，從而會(huì)軟化中子星物質(zhì)的狀態(tài)方程 2122。另外，在理論上已獲知近閾反應(yīng) K+/K 比受介質(zhì)修正的影響可以成為研究 K 介子介質(zhì)修正的敏感觀測(cè)量 2426146。因此， K+、 K 介子在近閾重離子碰撞中的產(chǎn)生問(wèn)題也是值得我們關(guān)注的。 本論文主要討論了中能重離子碰撞中的同位旋和中高能重離子碰撞中的 K 產(chǎn)生兩方面的問(wèn)題。論文下面的安排為：第二章給出了研究這些物理問(wèn)題所需要的基礎(chǔ)理論和 模型。第三章詳細(xì)討論了我們?cè)谥心苤仉x子碰撞中的同位旋問(wèn)題的研究進(jìn)展。第四章討論了我們?cè)谥懈吣苤仉x子碰撞 K 產(chǎn)生問(wèn)題的研究中所做的一些工作。第五章給出結(jié)論和展望。文中略去詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程的部分請(qǐng)見后面的附錄。最后是博士期間發(fā)表的文章列表和致謝。李慶峰： 重離子碰撞中的同位旋及近閾 ：李祝霞 i, at - 5 - 第二章 研究基礎(chǔ) 通過(guò)各種統(tǒng)計(jì)或輸運(yùn)模型研究中高能重離子碰撞產(chǎn)生的各種產(chǎn)物的觀測(cè)量來(lái)探索高溫、高密核物質(zhì)性質(zhì)是現(xiàn)今采用的主要途徑。就輸運(yùn)模型而言，主要分為兩類：遵從多體分子動(dòng)力學(xué)或級(jí)聯(lián)兩體碰撞的微觀模型和遵從單體相空間分布時(shí)間演化規(guī)律的微觀模型。前者的一個(gè)主要代表就是量子分 子動(dòng)力學(xué)模型（ 及它的各種擴(kuò)展模型（如 ，請(qǐng)見第 節(jié)和第三章內(nèi)容）。后者的主要代表是 型（ 27（或型 2829， 型 30，因?yàn)?V 都解決相同的單體 布函數(shù)的輸運(yùn)方程）及其擴(kuò)展模型（如 。 下一節(jié)我們先主要介紹通常的 型的基本理論和模型構(gòu)造等。在第 理論推導(dǎo)和模型構(gòu)造，并對(duì)這兩個(gè)模型的一些基本異同點(diǎn)作比較說(shuō)明。 子分子動(dòng)力學(xué)模型（ 論 在 型 1431中每一個(gè)核子用高斯波包描寫， /2/2/32 222 1, ii 。 1 其中代表波包空間擴(kuò)展的 L 開始僅作為參數(shù)引入 122，目前認(rèn)為它與核子的有效相互作用長(zhǎng)度有關(guān)，會(huì)影響有限核體系的密度分布和核子間相互作用范圍，如果選擇不當(dāng)會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大影響。將 L 定義成隨時(shí)間、入射能量和反應(yīng)系統(tǒng)大小的函數(shù) , 將是最理想的 84123，但難度也很大，現(xiàn)在這方面的研究還在繼續(xù)。最近， J. 人對(duì)這個(gè)參量做了一些研究 81，發(fā)現(xiàn)它對(duì)產(chǎn)物的譜分布是有影響的。為簡(jiǎn)單起見，我們現(xiàn)在仍采用傳統(tǒng)的固定值方法： L 個(gè)值在現(xiàn)在的研究中也是合適的。 i 的坐標(biāo)和動(dòng)量的波包中心。當(dāng)然，我們也可以試探其它形式的波函數(shù)，但 是這將產(chǎn)生更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方程和額外的參數(shù)，就很難類推到標(biāo)準(zhǔn)的 型，這里也就不再討論了。 核子中心的運(yùn)動(dòng)受到哈密頓運(yùn)動(dòng)方程的支配，其相應(yīng)的平均位置和動(dòng)量都被當(dāng)成是沿著相空間軌道演化的、受兩體、三體有效核子 哈密頓運(yùn)動(dòng)方程為 ， 2 第二章 研究基礎(chǔ) - 6 - 。 3 這里哈密頓量 H 包括動(dòng)能 T 和有效相互作用勢(shì)能 U： ， 4 其中 i ii i 2， 5 )3()2()3()2(ou lP au 。 6 密度相關(guān)的 互作用勢(shì)能)3()2( 。 7 有效相互作用勢(shì)能包括局域勢(shì)能（ G 矩陣的實(shí)部貢獻(xiàn)）以及庫(kù)侖相互作用勢(shì)能侖相互作 用不能在無(wú)限物質(zhì)中處理，因?yàn)檫@將導(dǎo)致分叉，但在研究有限核體系的 考慮了庫(kù)侖相互作用。量相關(guān)勢(shì)1536而得到的。另外， 型近似地把多體波函數(shù)用單粒子波函數(shù)的乘積態(tài) 描述，因此，不滿足費(fèi)米子波函數(shù)的反對(duì)稱化要求。為了彌補(bǔ)這種不足，模擬過(guò)程中分別在平均場(chǎng)加入 和在碰撞項(xiàng)加入 塞效應(yīng)。 對(duì)于基態(tài)核性質(zhì)和低能核反應(yīng)研究有重要作用，因?yàn)樗鼘⒆柚瓜嗫臻g中的同種（自旋、同位旋）核子靠得太近。 為了由核子波函數(shù)得到密度函數(shù)，這里先定義： 121221 2/ ， 8 所以 22122121 。 9 經(jīng) 換 i 212/3 ,2 1, 12 ， 10 我們可以得： i i , ， 11 子分子動(dòng)力學(xué)模型（ - 7 - 其中 )/2)(ex p ()2/)(ex p (1),( 222223 12 這里i 的分布函數(shù)。 相應(yīng)地，動(dòng)量空間和坐標(biāo)空間的密度函數(shù)就可得到： , ， 13 , 。 14 這里我們給出 的簡(jiǎn)單推導(dǎo)： 222 2231,， 15 由數(shù)學(xué)公式： 23222 y ， 16 我們?nèi)菀椎玫剑?23221,。 17 下面我們來(lái)推導(dǎo)有效相互作用勢(shì)能的各個(gè)部分。 首先介紹一下 式的 局域勢(shì) 。其具體形式為： , 。 18 由 37我們知 : 3320 ,161,83 ， 19 這里的0t，3中的參數(shù)。在 我們假設(shè) 3200016343， 20 則 第二章 研究基礎(chǔ) - 8 - lo c320202030231213121。 21 由 ， 22 我們得 i ii i 。 23 對(duì)三體力部分， 用近似方法： ， 24 即所謂 “平方的平均”近似等于“平均的平方” 的假設(shè)。由以下簡(jiǎn)單的推導(dǎo)： 22222 2 ， 25 我們可以知道這個(gè)假設(shè)在無(wú)限核物質(zhì)中是成立的，但在有限核體系中就需要考慮相應(yīng)的修正。下面的 就部分考慮了有限核的表面效應(yīng)， 則考慮了核內(nèi)核子波函數(shù)的過(guò)分重疊問(wèn)題（產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)呐懦饬Γ＿@里 是 2/322241,。 26 最終，我們得到了 式的密度依賴局域勢(shì)表達(dá)式： 2020 32 27 我們通過(guò)符合常密（ ）核物質(zhì)束縛能（ 6