原子核和強相互作用物質的相變[1]
劉玉鑫，穆良柱，常雷
1.北京大學物理系, 北京100871
2.北京大學重離子物理教育部重點實驗室，北京100871
3.重離子加速器國家實驗室理論核物理中心，蘭州730000
論文摘要：簡要回顧原子核和強相互作用物質的相結構及相變研究的現狀。說明原子核和強相互作用物質的相結構和相變的研究是原子核物理、粒子物理、天體物理、宇宙學和統計物理等領域共同關心重要前沿領域，到目前為止已取得重大進展，但無論是具體實際問題還是研究方法等方面都需要系統深入的研究。
關鍵詞：原子核物理;強相互作用物質;相與相變
1 引言
1XX年前，愛因斯坦通過分析充滿空腔的輻射系統的熵與充滿空腔的氣體系統的熵，提出電磁輻射由光量子組成[1,2]，從而建立了光子的概念，吹響了引導人們探索微觀世界的衝鋒號。進一步的深入研究表明，組成物質世界的粒子可以分為強子和輕子兩類，粒子間的相互作用可以分為引力作用、電磁作用、弱作用和強作用4類。參與強相互作用的粒子或具有強相互作用的系統統稱為強相互作用物質(包括強子物質、夸克物質等)及其特殊形式——原子核(由有限個強子組成的系統)，對原子核和強相互作用系統的相結構及相變的研究，對於認識強相互作用系統的相結構、相變，瞭解宇宙的起源和演化至關重要，並且可能是有限系統的統計物理的檢驗平臺。因此，近年來關於原子核和強相互作用系統的相變的研究不僅是原子核物理、天體物理、宇宙學及粒子物理等領域研究的重要前沿課題，還引起了有限量子多體系統領域和統計物理學界的極大關注。本文簡要介紹原子核及強相互作用系統的相及相變研究的現狀。
2 原子核的相及相變
2.1 原子核的單粒子運動與集體運動
原子核是有限數目的強子組成的束縛系統，其中的核子(質子和中子)自然具有單粒子運動，並建立殼模型成功的描述原子核的相應性質。實驗上對原子核的能譜和電磁躍遷等的研究表明，原子核還具有整體運動，並建立了原子核具有形狀和振動、轉動等集體運動模式的概念。人們通常利用將核半徑按球諧函式 展開來描述原子核的形狀，並將相應的形變稱為 極形變(如圖1所示)。已經觀測到和已經預言的原子核形狀多種多樣[3,4]，比較重要的是四極形變，實驗上已經觀測到的最高極形變是16極形變[3,4]。按照殼模型和集體模型的觀點， 幻數核多為球形， 而偏離滿殼的核則為形變核，形變核可以細分為長橢球形、扁橢球形、三軸不對稱形、梨形、香蕉形、紡錘形等。同時原子核還可能有形狀共存現象。
圖1 時原子核的 極形變的形狀示意圖(取自文獻[3])
fig. 1 sketch of the shape of a nucleus in -pole deformation with ( taken from ref. [3] )
近年來的研究表明，在較高激發能和較高角動量情況下，原子核的集體能譜消失，即出現帶終結現象[5]，這表明發生了由集體運動到單粒子運動的相變。
2.2 原子核的形狀相變
原子核形狀的研究一直是原子核結構理論中一個重要的問題，這是因為原子核形狀與原子核組成成分及其兩種運動形式--集體運動和單粒子運動、中子質子比、角動量、激發態能量和核環境的溫度等都密切相關。例如，集體模型中計算單粒子運動時常用的變形平均勢就和核形狀有關，不同形狀原子核的集體運動模式各不相同[6];同時原子核的形狀由所有核子的空間分佈決定，而且隨集體運動模式的不同而變化[7]。另一方面，原子核的形狀和一定的動力學對稱性相聯絡[4]，核形狀變化與原子核的動力學對稱性的破缺相聯絡。原子核的形狀發生變化表明其狀態和性質發生了變化，也就是發生了相變。因此，原子核的形狀相結構和相變的研究是原子核結構研究的重要內容。由於形狀共存可能是單粒子運動和集體運動較強耦合的結果[7]，因此形狀共存也是核形狀研究中關注的焦點[8]。
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