原子核物理中Delta共振态对三体力效应的研究

The nucleon-nucleon (NN) interaction is the foundation of the nuclear structure study. With the prompt development of the ab initio calculation in nuclear physics, the three-body force and many-body force has aroused wide concern besides the realistic two-body force. Based on the current research status and also the applicants’ achievements and expertise, the present project is proposed to investigate three-body effect from the degree of freedom of Delta-isobar excitation in two-body force. The main topics include: 1) the construction of realistic NN interaction with the pseudo-vector coupling of pion and nucleon, and the systematic study of the effects of pseudo-scalar coupling and pseudo-vector coupling in realistic NN interaction on the ground state properties of nuclear structure; 2) the construction of the realistic NN interaction with Delta isobars, and the systematic study of the three-body force effect from Delta isobars in ab initio calculation and the corresponding microscopic mechanism. This project is aiming at an improved high-precision realistic NN interaction, the better description of nuclear many-body problem with ab initio calculation and further insight into the influence of realistic NN interaction on the properties of nuclear structure.

核子-核子相互作用（核力）是原子核结构研究的重要基础。随着第一性原理计算在原子核物理领域的迅猛发展，除了大家熟知的两体核力之外，三体核力乃至多体核力的效应也引起广泛关注。本项目结合国内外研究现状以及申请人已有的工作基础，研究现实核力中Delta共振态自由度引起的三体力效应，内容主要包括：发展pi介子与核子赝矢耦合的现实核力，系统的研究现实核力中，pi介子与核子赝标耦合与赝矢耦合方式对原子核结构基本性质的影响；发展包含有Delta共振态的现实核力，通过第一性原理计算，系统的研究Delta共振态产生的三体力效应，并分析其微观机制。通过本项目的研究，进一步完善高精度的现实核子-核子相互作用，改善第一性原理计算对于原子核多体问题的描述，深入探索现实核力对原子核结构性质的影响。

近年来，随着计算机技术的飞速发展以及对现实核力的高精度描述，从现实核力出发的第一性原理计算方法在原子核结构的研究中扮演着越来越重要的角色。本项目正是利用第一性原理方法，采用最新的现实核力讨论了三体核力、Delta共振态等自由度对原子核结构的影响。首先利用非相对论Brueckner-Hartree-Fock (BHF) 模型以及协变密度泛函理论研究了核子非相对论有效质量的同位旋依赖性，发现BHF模型给出的中子有效质量大于质子有效质量而协变密度泛函理论给出的有效质量同位旋依赖性正好相反。这是因两个模型中k质量以及E质量扮演的角色不一样导致。随后利用最为先进的手征两体核力计算了核物质的基本性质，随着手征微扰阶数的增加，核物质的基本性质呈现收敛的趋势，但是核物质的饱和性质与经验值还有一定偏差，这表明三体核力在非相对论体系中是至关重要的。此外发展了相对论中心变分法，利用相对论单玻色子交换势研究中子星的基本性质，获得两倍太阳质量的中子星，与目前的实验观测相符。另一方面将相对论BHF模型自洽地推广到有限核的研究中，发现O16的基态性质在没有包含三体力的情况下相比于非相对论理论给出的数值与实验值偏差缩小20%。这表明相对论效应在第一性原理计算中是不可忽略的。通过拟合最新的格点量子色动力学数据，获得了一组单玻色子交换势，并用于核物质性质的研究。在相对论Hartree-Fock理论中首次引入Delta共振态自由度，研究了致密物质以及中子星的基本性质，发现Delta共振态在中子星内部两倍饱和点密度处开始出现，并能软化中子星状态方程，但是可以使中子星的最大质量满足大质量中子星的要求。最后从夸克层次出发考虑包含有pi介子交换以及胶子交换的夸克平均场模型，研究了原子核的基本性质以及含有奇异自由度的超核性质，均能与实验值很好的符合。在项目资助下一共发表SCI论文12篇，其中8篇发表在Physical Review C，会议文集3篇，培养硕士研究生一名。