原子核中的结团化与奇特形变
作者：吕炳楠 （中物院研究生院）
原子核是由质子与中子紧密堆积构成的量子液滴。量子效应使得原子核表现出种种与经典液滴不同的独特性质。例如，核子是费米子，泡利不相容原理禁止核子之间碰撞并散射到已经被占据的态上。这使得核子可以在原子核内部近乎自由地运动，不被核子间的碰撞耗散掉能量。换句话说，我们可以认为核子是在某种底部平坦的平均场中运动。作为最低阶近似，平均场模型在核物理中取得了极大成功，至今仍是解释大多数原子核现象的出发点。
平均场模型的缺陷在于其忽略了量子力学蕴含的多体关联。一个最简单的例子是考虑两两之间存在短程排斥力的一组粒子，两个粒子同时存在于同一位置的概率会被排斥力压低，这将导致对应的波函数中存在两体关联。而当用平均场模型描述时，总体波函数是单粒子波函数的乘积，一个粒子是否出现在某点，是不影响另外的粒子出现在该点的概率的。这种两体与多体关联的缺失，在用平均场模型描述某些重要物理现象时会造成重要影响。一个典型的例子是原子核中核子的结团化，即实验上发现在某些特定的原子核的基态与激发态中，核子倾向于抱团形成如粒子这样的小集团。我们已知这样的态在元素核合成等过程中发挥着关键作用。宇宙大爆炸之后的原初核合成只形成氘、氚、氦等轻核素，所有较重元素都是在后续的恒星核反应等场景中合成出来的，其中关键一步是三个粒子合成12C的反应。这个反应的速率取决于12C原子核中的一个激发态（Hoyle态）的性质，如果Hoyle态的能量或宽度与我们已知的不同，恒星熔炉将不足以产生足够的碳元素与更重的氧、氮等元素，我们的宇宙将成为没有生命存在，只充满大量氢、氦等轻元素的死寂荒原。现有的实验与理论研究表明，Hoyle态正是由三个粒子构成的结团化态。如何通过微观理论理解这样的结构？近些年来有相当的理论工作致力于此。我们知道量子多体关联其中起着关键作用，必须在模型中恰当考虑。
在存在结团化效应时，核子结团能够排列成各种各样的构型，像原子可以排列成不同形状的分子一样，形成三角形、棒状、四面体形、环形等奇特形变核。这些奇特结构的发现和预言，对实验家和理论家都提出了很高要求。在理论方面，之前多数模型仅考虑球形或椭球形的原子核，不足以充分描写这些结团化结构。我们长期关注原子核中的奇特形变。在最近的研究中，我们构造了对称性恢复的多维形变约束的平均场模型，在模型中引入了重要的多体关联效应，为描述原子核中的结团效应提供了新的研究工具。我们以12C为例，证明了当正确地处理角动量、宇称等守恒量时，正三角形排列的结团结构可以自然地从多体计算中涌现出来。
计算得到的三角形的12C原子核
对理论家而言，原子核是研究量子多体问题的天然实验室，其中存在很多像结团化效应这样的奇特现象。我们期望对原子核结构的研究也能带给我们对量子多体现象新的洞察。特别是近年来新的实验设施的建造，使我们能够研究之前难以触及的、核素图的边界区域，如极不稳定的超核、奇特核、超重核等，这些核中丰富的新现象将成为核理论的试金石。
参考文献
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