原子核贝塔衰变及相关物理过程的从头计算

宇宙中比铁重的元素起源问题是当前核天体物理研究的关键问题之一。这些较重元素主要是通过快中子俘获过程产生。目前普遍认为该过程发生于中子星合并等天体环境。理解该过程需要丰中子原子核结构以及反应数据,特别是原子核的质量以及单贝塔衰变寿命。这些数据大部分都是依赖理论计算结果。基于唯象核力或者密度泛函理论发展起来的准粒子无规相位近似(QRPA)在原子核单贝塔衰变研究方面取得很大的成功。然而,贝塔衰变寿命与所选取的有效相互作用形式、参数以及轴矢耦合常数gA具有较大的敏感性。如何确定该理论中的唯象参数是需要解决的关键科学问题之一。

近十年来,有效场论(EFT)和相似重整化群(SRG)⽅法在核物理中的应用极⼤地推动了原子核从头计算的发展。上个世纪九十年代初,Weinberg提出了从有效场论导出核力的一种方式。其基本思想是构造满足QCD对称性限制的有效拉格朗日量,将所有可能的贡献按照 的幂(阶)次展开,并计算到给定阶次的贡献。这里Q是原子核内核子的典型动量,是手征对称性破缺能标(700-1000 MeV)。对于大部分原子核,动量Q近似等于介子质量( 140 MeV)。因此,手征有效场论一般包括介子自由度。自从Entem 与 Machleidt 提出的“N3LO”手征核力对散射数据的拟合结果达到了唯象现实核力的精度之后,手征核力在原子核结构理论研究中逐渐流行起来。其中一个最重要的原因是核力以及电弱流算符都可以在手征有效场论中统一导出,并且截断到相同的阶次。截断引起的误差可以由数幂规则(power counting)较好地得到限制。尽管还存在一些问题有待解决,这些独特优势使得手征核力已经成为原子核从头计算方法中普遍采用的相互作用。

拟从手征核力出发,通过相似重整化群方法得到适用于准粒子无规相位近似(QRPA)的有效核力,通过引入有限振幅方法(FAM),发展介质准粒子无规相位近似(IM-QRPA)方法,并将其应用于中重形变原子核单贝塔衰变寿命研究。该研究有望为传统QRPA模型中自由参数(如质子-中子同位旋标量配对强度以及轴矢耦合常数gA)的确定提供参考,为相关实验提供理论支持,为模拟宇宙中快中子俘获过程所涉及到的关键原子核提供贝塔衰变寿命的从头计算结果。