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在前边的介绍中,我们看到了SU(3)对称性在壳模型中的重要性,简单明了的把壳模型和集体模型联系在了一起,把单粒子行为(能隙)和形变(简并的量子态)融合在了一起。所以SU(3)对称性第一次把核结构看起来好像冲突的两方面融合在了一起,这实际上是量子力学的基本特征,就好像波粒二象性一般。
但是遗憾的是,这条道路没有走到终点,原因就是前边说的,虽然赝SU(3)对称性的发现非常重要,推动了我们对于SU(3)对称性信念的坚持,但是我们对于这个赝SU(3)对称性(这个是清楚的)和剩下的具有O(N)对称性的轨道部分(这个是清楚的)的最终合成是什么样子的不是很清楚,再加上实验上的数据好像也可以这么解释(不够精确),导致过去的五十年,我们对于核结构演化的理解出现了系统性的偏差。
SU(3)对称性仅仅用来理解长椭球形核的转动谱,没有发现它的普适性。
出现误解,绝对不是一件事情导致的,一定会有另外一个重要的事情来支持它。这就是1975年,Arima和Iachello发现了相互作用玻色子模型,这个模型我在以前的博客中经常提到,细节可以看以前的文章,这里主要再谈一下它令人震惊的几个地方。
原子核由质子和中子构成,所以是一个费米子多体系统。但是对于低能核结构来说,存在一个非常重要的事情,这个事情因为没有被核结构研究者重视,导致丢失了一个诺贝尔物理学奖,这就是核子的配对效应。原子核的低能态是一个超导态!核子的配对效应早在固体物理中的超导机理发现之前就已经被核结构研究者意识到了。
当核子配对后,原子核的低能自由度就不是直接由质子或中子体现了,而是由核子对来体现。所以讨论原子核的低能谱,需要讨论配对效应。在壳模型中,这个作用就已经被很多人研究了,细节不多说。这里的关键是Arima和Iachello认为这些核子对可以看成是玻色子,这样一来,原子核系统就可以看成是一个相互作用的玻色子体系。
这个观点的转变看起来简单,但是非常让人震惊。
原子核满脸震惊的指着自己说:“我自己居然是一个玻色子系统!”
这样他们引入了角动量为0和2的6种玻色子,于是他们认为原子核的集体激发态可以构成U(6)群的表示。好抽象的一句话,但是揭示了原子核集体激发的本质,这是让人震惊的。因为从质子和中子角度来看,怎么看原子核的集体激发都看不明白!根本算不动!
原子核满脸震惊的指着自己说:“我的低能集体激发居然这么就暴露了!”
所以说,相互作用玻色子模型的发现在核结构发展的历史中是非常重要的,我们都相信这是诺贝尔奖级别的成果。可惜,最终没有拿到。以前诺贝尔奖级别的研究成果,总是比被授予的诺贝尔奖多,有一些只能收货遗憾了。不过最近几年,物理学基础领域的停滞,导致诺贝尔奖级别的研究急剧减少。一些人是有机会的。
所以科学研究的关键真的是怎么能抓住切入点,抓到点上了,一下子就会出来一大堆新结果。
接下来,数学上,U(6)对称性有三个极限,一个是U(5)极限,描述d对的数量和相互作用,描述球形核的声子谱(理论上一直相信这是存在的,实验上看起来也好像),一个是SU(3)极限,描述长椭球的转动谱(这是被实验完全证实的,和壳模型的SU(3)对称性完全对应),一个是O(6)对称性(实验上发现的γ软谱看起来的确是这样的),所以相互作用玻色子模型看起来的确描述了所有实验上可能的集体模式!
太完美了!
这种理解一直持续到了今天。
所以另外一个让人震惊的就是这个,一个简单的模型解释了原子核的所有集体激发模式。满足了物理学家追求的数学美。
原子核满脸震惊的指着自己说:“我的集体行为居然可以被一个简单的模型完美的描述!”
相互作用玻色子模型的问题是它是一个集体模型,如何从质子和中子的角度来理解它让人困惑,这个U(6)对称性的出现看起来神妙莫测。实际上,大量的研究来讨论如何从壳模型来理解相互作用玻色子模型。但是从SU(3)壳模型来理解,不知道为什么却没有很好的发展(这样的工作有,但很少)。国内的陈金全教授,提出了SD配对壳模型,在这个方向做出了重要的贡献,是国内核结构研究的一个重要方向。
可能是因为这个模型在统一单粒子行为和集体行为方面没有做出更好的答案,所以没有被授予诺贝尔奖。因为这是核结构的核心问题。
O(6)对称性的发现,进一步强化了我们对于核结构演化的观念,也可能是那个时候这个观念才完全确立,这个我不是太清楚。O(6)极限描述γ软核是相互作用玻色子模型一个非常重要的发现,因为球形核的声子模式和长椭球的转动谱都可以被几何模型很好的描述。虽然γ软性也可以被几何模型描述,但是似乎不是那么太好。
我从20年前开始研究相互作用玻色子模型,一开始就被这个模型震惊了。但是更让我震惊的是,我好像没什么可研究的了。
前边这部分就是新发现之前的关于SU(3)对称性的理解,一方面SU(3)对称性在壳模型的基础上把单粒子行为和集体行为统一起来,但是只是限定在了长椭球的转动谱上,一方面相互作用玻色子模型利用U(6)对称性描述了所有的集体性,长椭球的转动谱是其中的一种,但是两个模型的SU(3)对称性之间似乎很难沟通。
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