利用相对论变分法及现实核力研究原子核结构性质

Nucleus is a complex quantum many-body system. It is one of the ultimate aims of nuclear theories to describe systematically properties of finite nuclei and nuclear matter by ab initio calculation method with realistic nucleon-nucleon force. The realistic nucleon-nucleon force repels at short-range core and attracts at intermediate range through tensor force, which is difficult to be used in the many-body methods based on mean-filed theory. The variational method can treat these features of realistic nucleon-nucleon force very well. However all of the available variational methods in ab initio calculation are built in non-relativistic framework, which cannot consider the relativistic effects in nuclear system. Furthermore, the three-body nucleon force is introduced to reproduce the experimental data in non-relativistic variational method. Therefore, this project aims to extend the variational method to relativistic framework and to develop a new relativistic ab initio calculation method to study properties of nuclear structure. The main topics include: 1) the application of relativistic variational method to study properties of nuclear matter, which will be adopted in the calculation of compact star; 2) the development of relativistic variational method for finite nuclei and hypernuclei in order to extend the ab initio calculation method to investigate intermediate and heavy nuclei. The new relativistic ab initio calculation method established in this project can be widely used in the study of nuclear structure and systematically discuss the influences of relativistic effect and tensor force on the nuclear many-body system with realistic nucleon-nucleon force.

原子核是一个复杂的量子多体系统，从现实核力出发采用从头计算方法系统地描述原子核及核物质性质是原子核理论发展的终极目标之一。现实核力具有短程排斥心及中程张量吸引，很难应用于以平均场为基础的多体理论。然而变分法能够很好地处理现实核力的这些特性。但目前的从头计算变分法均建立在非相对论框架之上，无法考虑原子核内的相对论效应。此外非相对论变分法为与实验相符，还需引入三体核力。本项目拟将非相对论变分法拓展到相对论框架，发展崭新的相对论从头计算方法研究原子核结构的基本性质，利用相对论变分法从现实核力出发研究核物质的基本性质，将其应用于致密天体性质的研究；发展计算有限核以及超核的相对论变分法，将从头计算方法拓展到中、重核区原子核基态性质的研究。通过本项目建立的相对论从头计算模型可以被广泛应用于原子核结构性质计算，系统地利用两体现实核力探索相对论效应、张量力等因素对原子核多体系统性质的影响。

在原子核物理中，利用核子散射数据获得的现实核力计算原子核性质的理论方法被统称为第一性原理计算方法。目前绝大多数第一性原理计算方法均建立在非相对论的理论框架，此时要准确描述原子核的基本性质除了两体核力之外还需要考虑三体核力。然而相对论第一性原理计算方法却只需要两体核力就可以合理地给出对称核物质的饱和性质。因此扩展当前相对论的第一性原理计算方法十分重要。本项目首先发展了含有赝矢耦合的电荷依赖高精度核力，通过拟合核子-核子散射相移，考虑不同同位旋系统散射数据之间的微小差别，获得了三组含有不同张量力成分的pvCD-Bonn势。随后使用pvCD-Bonn势在相对论第一性原理框架下计算核物质的基本性质，研究张量力、赝矢耦合、电荷对称性破缺、电荷依赖性破缺等因素对核物质性质的影响。我们发现相对论理论中，核物质饱和性质与张量力成分存在很强的线性相关性，电荷对称性破缺的贡献远大于电荷依赖性破缺。我们还将该方法拓展到中子星性质的研究。pvCD-Bonn势得到的中子星状态方程可以产生大质量的中子星，同时也能对引力波探测到的双中子星并合事件数据给予合理的描述。我们还利用贝叶斯定律讨论了手征核力在核物质中的收敛性，发现手征核力在一定密度范围内描述核物质能够获得很好的收敛性质，进一步得到了手征核力在核物质中的破缺标度。此外我们利用协变密度泛函理论研究了同位旋、温度等因素对中子星壳层、质量、半径、潮汐形变等性质的影响。利用第一性原理计算方法得到的结果，讨论奇异自由度对中子星以及超核性质的改变。最后在密度泛函的框架下，研究了对关联以及形变效应对中子滴性质的影响，发现在考虑对关联时，密度泛函计算获得中子滴性质与第一性原理方法计算获得的结果更接近，为密度泛函理论与第一性原理计算方法建立起密切的联系。受项目资助共发表研究成果SCI论文25篇，其中1篇发表在 Physics Letters B, 5篇发表在Astrophysics Journal，11篇发表在Physical Review C、2篇发表在Chinese Physics C；参加国际会议7次；指导一名硕士研究生毕业。