中能重离子碰撞中的自旋动力学研究

Understanding the properties of nuclear force is the most fundamental problems in nuclear physics. The spin-orbit interaction and tensor force between nucleons are important components of nuclear force, and both of them have been extensively studied in the research field of nuclear structure, while their effects in heavy-ion collisions have long been overlooked. We are going to introduce spin degree of freedom for nucleons and spin-related potentials induced by the spin-orbit interaction as well as the tensor force into the IBUU transport model, and study the spin dynamics in intermediate-energy heavy-ion collisions. Since nucleons with different spins are affected by different potentials, spin splitting is expected to appear in final observables, similar to the isospin effects. By comparing the results from transport model simulations to the experimental data in the future, further information of the spin-orbit interaction and the tensor force can hopefully be extracted using intermediate-energy heavy-ion collisions.

理解核力的性质是核物理的基本问题之一。核子间的自旋轨道相互作用和张量力是核力的重要组成部分，两者在核结构领域被广泛研究，但长期以来它们在重离子碰撞中的效应一直被忽视了。我们将在IBUU输运模型中引入核子的自旋自由度，以及自旋轨道相互作用和张量力引起的自旋相关势，研究中能重离子碰撞的自旋动力学。不同自旋的核子受到不同的势的作用，末态观测量将发生自旋劈裂，与同位旋效应类似。将模拟结果与将来实验数据作比较，有望利用中能重离子碰撞获取自旋轨道相互作用和张量力的进一步信息。

核力中的自旋轨道耦合作用对解释原子核的幻数十分重要，但通常只在核结构中被广泛研究，在核反应中的效应未受到足够的重视。从自旋依赖的BUU方程出发，我们对试验粒子方法进行了扩展，推导出了自旋依赖的运动学方程，这成为进行重离子碰撞自旋输运模拟的理论基础。基于该运动学方程和唯象的核自旋轨道耦合作用，我们在IBUU输运模型中引入了核子的自旋自由度，模拟了中能重离子碰撞中的自旋动力学。我们发现，在垂直于反应平面自旋向上和自旋向下的核子集体流的差别，是核自旋轨道耦合作用的有效探针。相比于核结构，我们或许能利用核反应形成各种更合适的体系环境，来研究核自旋轨道耦合作用的强度、密度依赖性、以及同位旋依赖性。除了核子的自旋，我们还通过自旋依赖的组合模型研究了不同自旋态的氘核、氚核、以及氦3核。我们初步在自旋依赖的输运模型中引入了核张量力，但发现它的效应远小于核自旋轨道耦合的效应。除了自旋相关的核子平均场，我们还在输运模拟中引入了自旋依赖的核子-核子散射，包括自旋依赖的核子-核子散射微分截面和自旋依赖的泡利阻塞，使得自旋动力学的理论体系更为完整自洽。..在相对论重离子碰撞中，产生了具有极端高温高密的体系，此时夸克的手征对称性恢复，可以近似看作无质量的粒子。在这种情况下，粒子按自旋与动量方向是否一致区分为左手征粒子和右手征粒子，自旋动力学过渡到手征动力学，在外界电磁场及体系自旋轨道耦合作用下会产生一系列有趣的现象。作为自旋动力学研究的扩展，我们从无质量粒子的自旋运动学方程推导出了手征运动学方程，在周期性边界条件的箱体中模拟了手征磁波，并且研究了相对论重离子碰撞中Lambda和反Lambda粒子自旋极化的劈裂。..我们的研究发展了粒子输运理论框架，将自旋输运这一方向拓展到了核子和夸克层次，引发了国内外学者的广泛关注与兴趣。将同一套核力应用于核结构与核反应，且在输运模拟中不仅考虑自旋依赖的平均场还考虑自旋依赖的散射过程，理论框架更为完善自洽。相对论重离子碰撞自旋与手征相关的实验测量方兴未艾，但中能重离子碰撞自旋相关的测量仍需时日。从另一方面，相对论重离子碰撞中部分子相的手征动力学之后需引入强子相的自旋输运才更为自洽，我们的研究对构建重离子碰撞完整的自旋动力学输运理论框架有重要意义。