超核是含超子“杂质”的原子核, 中子星可以看成是最大的超核。超子杂质的引入会“软化”核物理状态方程, 从而影响中子星的质量上限。因此, 对超核结构的研究有助于加深对自然界基本相互作用、核物质新形态以及中子星性质的理解。

平均场模型被广泛应用于原子核结构研究, 其基本思想是将原子核中的核子(质子、中子)近似为陷于“势阱”中的无相互作用粒子, “势阱”的“深度”和“宽度”由这些粒子自身状态决定。在原子核中引入另一种粒子--“超子”会改变原来的“势阱”, 从而影响原子核的性质, 这就是所谓的超子杂质效应。由于超子具有自身的能级体系, 可以处于任何能量允许的状态, 一般地, 超子倾向于处于能量最低的轨道, 其空间分布具有球对称性。以往的研究表明, 这种状态的超子会缩小原子核的尺寸, 降低原子核发生四极形变的几率, 从而减弱原子核低激发态中电四极跃迁强度。

由于平均场近似所带来的局限性, 平均场模型很难直接用于超核谱学研究。为了能够直接与超核谱学实验的观测量进行对比以及为了定量研究超子在原子核中的杂质效应, 近年来, 研究人员通过引入投影方法以及生成坐标方法, 发展了适用于超核谱学研究的核理论模型, 为通过超核激发谱数据来确定超子-核子有效相互作用, 从而更精确地定出中子星中核物理状态方程提供了理论工具。

“梨形”超核具有更丰富的低激发态信息, 通常伴随核子“结团”现象。在内禀坐标系, “梨形”破坏空间反演对称性以及空间转动对称性, 从而导致单粒子波函数不具有确定的宇称和角动量, 超子在空间中的分布也不再具有简单的球对称性。为了恢复超核的量子数, 研究人员把宇称以及角动量投影方法首次引入到相对论协变密度泛函理论中研究“梨形”超核。

图1  超核中核子和超子密度在 x-z(y=0)平面分布情况。 (a), (b), (c)对应超核三种四极-八极形状组态的情况。上排与下排分别对应超子处于能量最低以及次低能级的情况。

以为例, 研究人员将Λ超子分别放置于能量最低的两个状态(分别标记为Λ_s和Λ_p), 发现两种情况下的Λ超子都不利于²⁰Ne形成反射不对称类分子¹⁶O+α结团结构。此外, 他们着重研究了结构迥异, 能量却非常接近的两个组态²⁰Ne (K^π=0⁻)⊗Λ_s与²⁰Ne (K^π=0⁺)⊗Λ_p随形变的演化行为, 这种组态是构成“真正超核态”的主要成分。他们揭示了其中Λ超子的有趣分布行为, 即随着八极形变的增大, 能量最低以及次低的超子分别向梨形底部或者顶部聚拢, 好比舞蹈中“蹲下”以及“跳起”的两种状态。此外, 相比于已有描述“梨形”超核的理论模型, 新发展的理论模型更具有普适性,可以用于研究不同质量核区的超核。

HaoJie Xia, XianYe Wu, Hua Mei, JiangMing Yao, Beyond mean-field approach for pear-shaped hypernuclei, SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2019, Vol. 62, No. 4: 042011

http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-018-9308-0

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