重離子碰撞：解鎖中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂之謎一、引言1.1研究背景與意義核物理作為一門(mén)探索物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)和相互作用的學(xué)科，在現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域中占據(jù)著舉足輕重的地位。其中，中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的研究，對(duì)于深入理解原子核內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和相互作用機(jī)制具有關(guān)鍵意義。中子和質(zhì)子作為原子核的基本組成部分，它們?cè)谠雍藘?nèi)的行為受到復(fù)雜的核相互作用的支配。有效質(zhì)量是描述核子在核介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的重要物理量，它反映了核子與周圍核子相互作用的綜合效果。當(dāng)中子和質(zhì)子處于同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)中時(shí)，由于它們與周圍核子的相互作用存在差異，導(dǎo)致其有效質(zhì)量出現(xiàn)不同，這種差異被稱為中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂。在豐中子核物質(zhì)中，中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂能夠反映同位旋矢量核相互作用的時(shí)空非定域性。這種時(shí)空非定域性對(duì)于研究早期宇宙進(jìn)化過(guò)程中的中質(zhì)比變化、稀有同位素的結(jié)構(gòu)形成以及重離子碰撞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)演變都有著深遠(yuǎn)的影響。例如，在早期宇宙的演化過(guò)程中，中質(zhì)比的精確確定對(duì)于理解宇宙元素的合成和分布至關(guān)重要，而中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂通過(guò)影響核子的相互作用，進(jìn)而對(duì)中質(zhì)比產(chǎn)生作用。在稀有同位素的研究中，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂密切相關(guān)，深入了解這種關(guān)系有助于揭示稀有同位素的形成機(jī)制和衰變規(guī)律。在天體物理領(lǐng)域，原初中子星的熱性質(zhì)研究離不開(kāi)對(duì)中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的深入理解。原初中子星是一種極端致密的天體，其內(nèi)部物質(zhì)處于極高的密度和溫度條件下。中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂在這種極端環(huán)境中對(duì)物質(zhì)的狀態(tài)方程和熱傳導(dǎo)等性質(zhì)有著重要影響，進(jìn)而影響我們對(duì)原初中子星演化和冷卻過(guò)程的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，準(zhǔn)確確定對(duì)稱能的約束也依賴于對(duì)中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的精確測(cè)量和理論研究。對(duì)稱能是描述同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)能量特性的重要物理量，它與中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂之間存在著緊密的聯(lián)系，對(duì)理解原子核的穩(wěn)定性和核反應(yīng)過(guò)程起著關(guān)鍵作用。然而，目前對(duì)于中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的值究竟是正、負(fù)還是零，科學(xué)界尚未達(dá)成共識(shí)。不同的研究方法和理論模型得出的結(jié)果存在一定的差異，這反映出我們對(duì)于這一關(guān)鍵物理量的認(rèn)識(shí)還存在諸多不足。一些研究表明中子有效質(zhì)量大于質(zhì)子有效質(zhì)量，而另一些研究則得到了相反的結(jié)論。這種不一致性不僅凸顯了該領(lǐng)域研究的挑戰(zhàn)性，也為進(jìn)一步的研究提供了廣闊的空間。為了深入探究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂，重離子碰撞實(shí)驗(yàn)成為了一種不可或缺的研究手段。重離子碰撞是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，兩個(gè)重離子束被加速到接近光速并發(fā)生對(duì)撞，從而產(chǎn)生出高溫、高密的極端物質(zhì)狀態(tài)。這種極端條件能夠模擬早期宇宙和中子星內(nèi)部的部分物理環(huán)境，為研究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂提供了獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)精確測(cè)量各種物理可觀測(cè)量，如原子核阻止、中子和質(zhì)子發(fā)射數(shù)、輕粒子發(fā)射譜等，并結(jié)合先進(jìn)的理論模型和計(jì)算方法，我們可以深入研究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂對(duì)這些可觀測(cè)量的影響，進(jìn)而反推中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的值。例如，研究不同中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂情況下，原子核阻止和中子、質(zhì)子發(fā)射數(shù)的變化規(guī)律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定這些物理量，就有可能確定中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的值。再如，利用輕粒子發(fā)射來(lái)探測(cè)核子有效質(zhì)量分裂，研究發(fā)現(xiàn)輕粒子產(chǎn)額之比的能譜斜率與有效質(zhì)量分裂之間存在直接關(guān)系，這為確定中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂提供了新的途徑。此外，重離子碰撞實(shí)驗(yàn)還可以與各種理論模型相結(jié)合，如同位旋相關(guān)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型、改進(jìn)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型等。這些模型能夠?qū)χ仉x子碰撞過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)，擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而深入研究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂在重離子碰撞過(guò)程中的作用機(jī)制和影響規(guī)律。通過(guò)這種實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的研究方法，我們有望解決目前對(duì)于中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂認(rèn)識(shí)上的差異，進(jìn)一步完善我們對(duì)核子同位旋矢量勢(shì)和稀有同位素反應(yīng)的理解，推動(dòng)核物理和天體物理領(lǐng)域的發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來(lái)，利用重離子碰撞探究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂成為核物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外眾多科研團(tuán)隊(duì)在理論和實(shí)驗(yàn)方面均開(kāi)展了大量研究工作，取得了一系列重要成果，同時(shí)也暴露出一些有待解決的問(wèn)題。在理論研究方面，2004年，Li等人利用Bombaci的唯象單個(gè)核子勢(shì)模型，深入分析同位旋標(biāo)量和矢量勢(shì)，并與經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)豐中子物質(zhì)中中子-質(zhì)子的有效質(zhì)量劈裂展開(kāi)研究。研究結(jié)果顯示，當(dāng)中子有效質(zhì)量劈裂小于質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂（m_n^*<m_p^*）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致與能量依賴的Lane勢(shì)不一致的對(duì)稱勢(shì)，這為后續(xù)研究提供了重要的理論參考方向，引發(fā)了學(xué)界對(duì)對(duì)稱勢(shì)與有效質(zhì)量劈裂關(guān)系的深入探討。2010年，Xu等人基于Hugenholtz-VanHove（HVH）定理，從全局核子光學(xué)勢(shì)中提取對(duì)稱能、對(duì)稱能的密度斜率以及中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂相關(guān)信息。該定理指出，在原子核飽和密度\rho_0時(shí)，對(duì)稱能E_{sym}(\rho)及密度斜率L(\rho)完全由核子的全局光學(xué)勢(shì)決定，L(\rho)可直接從核子-核子散射、(p,n)電荷交換作用、單個(gè)粒子束縛態(tài)能級(jí)中提取。通過(guò)這一研究，得出最佳估計(jì)E_{sym}(\rho_0)=31.3MeV，L(\rho_0)=52.7MeV，相應(yīng)的有效質(zhì)量劈裂為0.32\delta（\delta為相對(duì)中子過(guò)剩），為量化中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂提供了重要的數(shù)值參考，使得不同研究之間有了更統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn)。Li等人基于HVH理論，通過(guò)對(duì)28組地面核實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和天體物理觀測(cè)結(jié)果的細(xì)致分析，發(fā)現(xiàn)核子的對(duì)稱能和中子-質(zhì)子的有效質(zhì)量劈裂緊密相關(guān)。根據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)密度下對(duì)稱能E_{sym}(\rho)及密度斜率L(\rho)的約束值，推斷出相應(yīng)的中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂，其平均值在0.27\delta附近，對(duì)稱勢(shì)的平均值在29MeV附近。這一研究進(jìn)一步深化了對(duì)對(duì)稱能與有效質(zhì)量劈裂關(guān)系的認(rèn)識(shí)，為從不同角度研究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂提供了新思路，促使研究人員更加關(guān)注地面實(shí)驗(yàn)與天體物理觀測(cè)相結(jié)合的研究方法。此外，Li等人還通過(guò)分析同位旋相關(guān)光學(xué)模型的核子-核子散射數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的大小與相對(duì)中子過(guò)剩\delta有關(guān)，并得出豐中子物質(zhì)在正常密度下的中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂為(0.41\pm0.15)\delta。這一發(fā)現(xiàn)揭示了有效質(zhì)量劈裂與中子過(guò)剩之間的定量關(guān)系，為在不同中子過(guò)剩條件下研究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂提供了重要依據(jù)，使得研究人員能夠更加準(zhǔn)確地控制和研究這一物理量在不同環(huán)境下的變化規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)研究方面，林琳、郭文軍和黃璐利用同位旋相關(guān)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)^{112}Sn+^{112}Sn、^{124}Sn+^{124}Sn和^{132}Sn+^{132}Sn在能量為50、100、200MeV/u的反應(yīng)系統(tǒng)展開(kāi)研究。通過(guò)模擬不同中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂對(duì)原子核阻止和中子、質(zhì)子發(fā)射數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂對(duì)這些物理量有顯著影響，且原子核阻止和中子、質(zhì)子發(fā)射數(shù)隨著有效質(zhì)量劈裂的增加而遞減。這一研究成果為通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定原子核阻止和中子、質(zhì)子發(fā)射數(shù)來(lái)確定中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的值提供了理論支持，為實(shí)驗(yàn)研究指明了方向，使得實(shí)驗(yàn)測(cè)量有了更明確的目標(biāo)和方法。中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理所微觀輸運(yùn)理論研究組利用改進(jìn)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型（ImQMD-Sky），對(duì)^{86}Kr+^{208}Pb重離子碰撞系統(tǒng)在束能范圍從25A到200AMeV的情況進(jìn)行模擬。研究發(fā)現(xiàn)輕粒子產(chǎn)額之比的能譜斜率與有效質(zhì)量分裂之間存在直接關(guān)系，這一關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)為確定中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂提供了全新的途徑，打破了傳統(tǒng)研究方法的局限，為實(shí)驗(yàn)上探測(cè)核子有效質(zhì)量分裂提供了新的實(shí)驗(yàn)可觀測(cè)量，有望解決從不同分析方法得到的有效質(zhì)量分裂的不一致性問(wèn)題。盡管國(guó)內(nèi)外在利用重離子碰撞探究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂方面取得了上述顯著成果，但目前仍存在一些不足之處。首先，對(duì)于中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的值究竟是正、負(fù)還是零，科學(xué)界尚未達(dá)成共識(shí)。不同的理論模型和實(shí)驗(yàn)方法得出的結(jié)果存在差異，這反映出我們對(duì)這一物理量的認(rèn)識(shí)還不夠深入，可能是由于不同的研究方法對(duì)核子相互作用的描述存在局限性，或者是實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)量手段的差異導(dǎo)致的。其次，現(xiàn)有研究大多集中在特定的能量范圍和核反應(yīng)系統(tǒng)，對(duì)于更廣泛的能量范圍和不同核反應(yīng)系統(tǒng)下中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的研究還相對(duì)較少，這限制了我們對(duì)這一物理量的全面理解。此外，理論模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的擬合還存在一定的偏差，需要進(jìn)一步改進(jìn)理論模型，提高其對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋和預(yù)測(cè)能力，以更好地揭示中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的本質(zhì)和規(guī)律。1.3研究目的與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在利用重離子碰撞這一獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)手段，深入探究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂這一關(guān)鍵物理量，解決目前科學(xué)界在該領(lǐng)域存在的諸多爭(zhēng)議和問(wèn)題，為核物理和天體物理的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。具體研究目的如下：其一，通過(guò)精確測(cè)量重離子碰撞過(guò)程中的多種物理可觀測(cè)量，如原子核阻止、中子和質(zhì)子發(fā)射數(shù)、輕粒子發(fā)射譜等，建立這些可觀測(cè)量與中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂之間的定量關(guān)系。利用同位旋相關(guān)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型以及改進(jìn)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型（ImQMD-Sky）等先進(jìn)理論模型，對(duì)重離子碰撞過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，深入分析不同中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂情況下，各物理可觀測(cè)量的變化規(guī)律，從而為實(shí)驗(yàn)測(cè)量提供理論指導(dǎo)，同時(shí)也為從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確提取中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂信息奠定基礎(chǔ)。其二，結(jié)合地面核實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和天體物理觀測(cè)結(jié)果，全面約束中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的值。目前，不同研究方法得到的中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂結(jié)果存在較大差異，本研究將綜合考慮各種因素，對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析和整合。通過(guò)對(duì)比不同理論模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化理論模型，提高其對(duì)中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的描述能力，從而更準(zhǔn)確地確定中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的值，解決當(dāng)前學(xué)界對(duì)于該值是正、負(fù)還是零的爭(zhēng)議。其三，深入研究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂對(duì)同位旋矢量核相互作用時(shí)空非定域性的影響，以及在早期宇宙進(jìn)化、稀有同位素結(jié)構(gòu)形成和重離子碰撞動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)演變等過(guò)程中的作用機(jī)制。中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂作為反映同位旋矢量核相互作用時(shí)空非定域性的重要物理量，對(duì)理解原子核的微觀結(jié)構(gòu)和相互作用機(jī)制具有關(guān)鍵意義。本研究將通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，深入探討中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂在上述物理過(guò)程中的具體作用方式和影響規(guī)律，揭示其內(nèi)在的物理本質(zhì)，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供重要的理論支持。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是研究方法的創(chuàng)新，將多種先進(jìn)的理論模型與高精度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合，形成了一套全面、系統(tǒng)的研究體系。在理論方面，綜合運(yùn)用同位旋相關(guān)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型、改進(jìn)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型（ImQMD-Sky）等，充分考慮了核子相互作用的復(fù)雜性和多樣性；在實(shí)驗(yàn)方面，通過(guò)精確測(cè)量重離子碰撞過(guò)程中的多個(gè)物理可觀測(cè)量，獲取了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為理論研究提供了有力的支撐。這種理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合的研究方法，能夠更全面、深入地探究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的物理特性，有效解決了以往研究中理論與實(shí)驗(yàn)脫節(jié)的問(wèn)題。二是實(shí)驗(yàn)可觀測(cè)量的創(chuàng)新，首次將輕粒子發(fā)射譜的能譜斜率作為確定中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)可觀測(cè)量。以往的研究主要關(guān)注原子核阻止、中子和質(zhì)子發(fā)射數(shù)等傳統(tǒng)可觀測(cè)量，而對(duì)輕粒子發(fā)射譜的研究相對(duì)較少。本研究通過(guò)深入分析重離子碰撞過(guò)程中輕粒子的發(fā)射機(jī)制，發(fā)現(xiàn)輕粒子產(chǎn)額之比的能譜斜率與有效質(zhì)量分裂之間存在直接關(guān)系。這一創(chuàng)新性的發(fā)現(xiàn)為確定中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂提供了全新的途徑，拓寬了實(shí)驗(yàn)研究的思路，有望解決從不同分析方法得到的有效質(zhì)量分裂的不一致性問(wèn)題。三是研究視角的創(chuàng)新，從多學(xué)科交叉的角度出發(fā)，綜合考慮核物理和天體物理的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂不僅在核物理領(lǐng)域具有重要意義，在天體物理中也對(duì)原初中子星的熱性質(zhì)、早期宇宙的演化等方面有著深遠(yuǎn)的影響。本研究打破了傳統(tǒng)研究中核物理與天體物理之間的界限，將地面核實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與天體物理觀測(cè)結(jié)果相結(jié)合，從不同的物理環(huán)境和尺度上對(duì)中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂進(jìn)行研究，為深入理解這一物理量的本質(zhì)和作用提供了更廣闊的視野，有助于推動(dòng)核物理和天體物理的交叉融合發(fā)展。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1重離子碰撞理論2.1.1重離子碰撞原理重離子碰撞是指利用加速器將質(zhì)量大于α粒子的重離子加速到各種不同能量后，使其轟擊原子核的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，由于重離子是具有結(jié)構(gòu)的復(fù)合粒子，其引起的核反應(yīng)機(jī)制與輕粒子核反應(yīng)有很大差別。從能量角度來(lái)看，重離子碰撞可分為低能、中能和高能碰撞，不同能量下的碰撞具有各自獨(dú)特的反應(yīng)機(jī)制和特點(diǎn)。在低能重離子碰撞中，能量一般在每核子幾兆電子伏左右。此時(shí)，重離子碰撞過(guò)程的反應(yīng)機(jī)制主要按照碰撞參量或軌道角動(dòng)量來(lái)分類。隨著碰撞參量或軌道角動(dòng)量的減少，兩個(gè)原子核的相互作用由表面到內(nèi)部，順次發(fā)生彈性散射、非彈性散射（主要是庫(kù)侖激發(fā)）、轉(zhuǎn)移反應(yīng)（重離子核反應(yīng)中一般將彈性散射、非彈性散射和轉(zhuǎn)移反應(yīng)統(tǒng)稱為準(zhǔn)彈性散射）、重離子深部非彈性碰撞和全熔合反應(yīng)。其中，彈性散射基本上是庫(kù)侖散射和黑體衍射的組合，用核反應(yīng)光學(xué)模型勢(shì)計(jì)算彈性散射角分布和吸收截面，可獲得與實(shí)驗(yàn)基本符合的結(jié)果，但重離子光學(xué)勢(shì)參量的不確定性較大。庫(kù)侖激發(fā)由于其幾率同核電荷數(shù)Z的二次方成正比，所以用重離子進(jìn)行庫(kù)侖激發(fā)遠(yuǎn)比輕離子有效，在擦邊碰撞中，還能通過(guò)核力作用激發(fā)靶核或彈核的集體運(yùn)動(dòng)，這些非彈性散射是研究原子核集體運(yùn)動(dòng)的重要途徑。在轉(zhuǎn)移反應(yīng)中，從一個(gè)到多個(gè)核子轉(zhuǎn)移都有可能發(fā)生，這為研究多個(gè)核子結(jié)合成大塊核物質(zhì)轉(zhuǎn)移提供了可能性，但在理論處理上存在諸多困難，如重離子核反應(yīng)的開(kāi)道問(wèn)題、多步轉(zhuǎn)移、反沖效應(yīng)、有限力程效應(yīng)等，導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算較為繁難。深部非彈性碰撞處于少數(shù)自由度參與的直接核反應(yīng)和全熔合反應(yīng)之間的過(guò)渡區(qū)域，是一種非平衡態(tài)的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)上已揭示出各種宏觀物理量如能量、質(zhì)量、電荷、角動(dòng)量、中子質(zhì)子比、角分布隨相互作用時(shí)間而弛豫的一些規(guī)律，以及它們之間的一些相互制約關(guān)系，理論上用非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)理論對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算和解釋。當(dāng)體系發(fā)生全熔合反應(yīng)時(shí)，彈核與靶核熔合成一個(gè)整體，形成處于平衡態(tài)的復(fù)合核。中能重離子碰撞的能量范圍通常在每核子幾十兆電子伏到幾百兆電子伏之間。這一能量區(qū)間的重離子碰撞是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。在中能重離子碰撞中，會(huì)出現(xiàn)一些獨(dú)特的同位旋效應(yīng)，例如中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂，它反映了同位旋矢量核相互作用的時(shí)空非定域性，對(duì)研究早期宇宙進(jìn)化過(guò)程中的中質(zhì)比變化、稀有同位素的結(jié)構(gòu)以及重離子碰撞的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)演變都有著重要意義。在這個(gè)能量范圍內(nèi)，原子核之間的相互作用更加劇烈，會(huì)產(chǎn)生更多的激發(fā)態(tài)和粒子發(fā)射。彈核碎裂反應(yīng)是中能重離子碰撞的一個(gè)重要反應(yīng)機(jī)制，中高能重離子轟擊靶核時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多速度與彈核相近的類彈核碎片，其質(zhì)量（電荷）分布可用理論進(jìn)行較好的描述，這種反應(yīng)是產(chǎn)生放射性核束的主要反應(yīng)之一，也是產(chǎn)生和研究遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線奇異核素的主要途徑。高能重離子碰撞，也稱為相對(duì)論性重離子碰撞，因?yàn)榇藭r(shí)入射核能量很高，具有相對(duì)論性。當(dāng)具有很高能量的原子核相碰時(shí)，有可能形成一個(gè)能量密度很高的碰撞區(qū)，入射核和靶核都被高度激發(fā)，而后發(fā)生破裂，并隨之產(chǎn)生許多新的粒子。理論研究表明，相對(duì)論重離子碰撞有可能是研究反常核物質(zhì)、夸克膠子等離子體等物質(zhì)新形態(tài)的可能途徑，也可能是研究真空的性質(zhì)以及宇宙的起源的基礎(chǔ)。在相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)中，將重的原子核（如金或鉛）加速到接近光速，然后讓它們?cè)谝粋€(gè)非常小的空間內(nèi)相互碰撞，這樣會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常高的溫度和密度的區(qū)域，其中夸克和膠子可以自由地運(yùn)動(dòng)，形成夸克-膠子等離子體。通過(guò)探測(cè)器測(cè)量從碰撞中飛出來(lái)的各種粒子，能夠推斷夸克-膠子等離子體的性質(zhì)和行為。2.1.2重離子碰撞實(shí)驗(yàn)裝置與技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)重離子碰撞實(shí)驗(yàn)并獲取相關(guān)物理信息，需要一系列先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置和技術(shù)。常用的重離子碰撞實(shí)驗(yàn)裝置有美國(guó)的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC）、歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）等。美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC）是目前世界上進(jìn)行高能重離子碰撞的大型實(shí)驗(yàn)裝置之一，其中的STAR（SolenoidalTrackeratRHIC）實(shí)驗(yàn)致力于高溫高密條件下夸克膠子等離子體（QuarkGluonPlasma，QGP）性質(zhì)以及QCD相結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）長(zhǎng)達(dá)27公里，位于瑞士與法國(guó)邊界的地下，它通過(guò)將粒子加速到接近光速并使其碰撞，模擬大爆炸后的早期宇宙狀態(tài)，在這些高能碰撞中，科學(xué)家們得以研究各種基本粒子的性質(zhì)，包括希格斯玻色子和重離子等。在粒子探測(cè)技術(shù)方面，需要能夠精確測(cè)量碰撞產(chǎn)生的各種粒子的探測(cè)器。例如，硅像素探測(cè)器近年來(lái)以其高位置分辨、低物質(zhì)量、低功耗和抗輻照等優(yōu)勢(shì)，成為核與粒子物理大科學(xué)裝置的關(guān)鍵技術(shù)。在高能重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中，硅像素探測(cè)器大幅提升了原初碰撞頂點(diǎn)和短壽命粒子（比如含有粲或底夸克的強(qiáng)子）的重建性能。此外，還有時(shí)間投影室（TPC），它能夠?qū)щ娏Ｗ拥能壽E進(jìn)行精確測(cè)量，提供粒子的動(dòng)量、電荷等信息；量能器則用于測(cè)量粒子的能量，通過(guò)吸收粒子并測(cè)量其產(chǎn)生的次級(jí)粒子的能量沉積來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集與分析方法也是重離子碰撞實(shí)驗(yàn)技術(shù)的重要組成部分。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，探測(cè)器會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，需要高效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)記錄這些數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用高速數(shù)字化技術(shù)，將探測(cè)器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行快速存儲(chǔ)。在數(shù)據(jù)分析階段，首先要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除噪聲和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，然后根據(jù)不同的物理目標(biāo)，運(yùn)用各種數(shù)據(jù)分析方法。比如，通過(guò)事件平面法來(lái)計(jì)算帶電粒子的定向流（v1），以探測(cè)電磁場(chǎng)效應(yīng)。在測(cè)量夸克-膠子等離子體的性質(zhì)時(shí)，會(huì)分析粒子的產(chǎn)額、動(dòng)量分布、關(guān)聯(lián)函數(shù)等物理量，通過(guò)與理論模型的對(duì)比，深入研究重離子碰撞過(guò)程中的物理機(jī)制。2.2中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂理論2.2.1有效質(zhì)量劈裂的定義與物理意義在同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)中，中子和質(zhì)子由于與周圍核子的相互作用存在差異，導(dǎo)致它們具有不同的有效質(zhì)量，這種差異被定義為中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂，通常用\Deltam^*=m_n^*-m_p^*來(lái)表示，其中m_n^*和m_p^*分別為中子和質(zhì)子的有效質(zhì)量。有效質(zhì)量是描述核子在核介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的重要物理量，它與自由核子的質(zhì)量不同，反映了核子與周圍核子相互作用的綜合效果。在核物質(zhì)中，核子并非孤立存在，而是與周圍大量核子發(fā)生復(fù)雜的相互作用，這些相互作用會(huì)對(duì)核子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，使得核子的行為表現(xiàn)得如同具有一個(gè)與自由質(zhì)量不同的有效質(zhì)量。中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂具有重要的物理意義。在豐中子核物質(zhì)中，它能夠反映同位旋矢量核相互作用的時(shí)空非定域性。這種時(shí)空非定域性對(duì)核物質(zhì)的性質(zhì)有著深遠(yuǎn)的影響。從微觀角度來(lái)看，它影響著核子在核內(nèi)的分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響原子核的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。例如，在一些遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的原子核中，中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的變化會(huì)導(dǎo)致原子核殼層結(jié)構(gòu)的改變，使得原子核的基態(tài)性質(zhì)發(fā)生顯著變化。從宏觀角度來(lái)看，它對(duì)核物質(zhì)的狀態(tài)方程有重要影響，而核物質(zhì)的狀態(tài)方程是描述核物質(zhì)在不同密度、溫度等條件下的壓強(qiáng)、能量等物理量之間關(guān)系的重要理論，對(duì)于研究天體物理中的中子星、超新星爆發(fā)等現(xiàn)象具有關(guān)鍵作用。在早期宇宙進(jìn)化過(guò)程中，中質(zhì)比的精確確定對(duì)于理解宇宙元素的合成和分布至關(guān)重要，而中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂通過(guò)影響核子的相互作用，進(jìn)而對(duì)中質(zhì)比產(chǎn)生作用。在宇宙演化的早期階段，物質(zhì)處于高溫高密的狀態(tài)，核子之間的相互作用頻繁，中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的存在使得中子和質(zhì)子的行為有所不同，這會(huì)影響到原子核的合成過(guò)程，從而對(duì)宇宙中元素的豐度和分布產(chǎn)生影響。在稀有同位素的研究中，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂密切相關(guān)，深入了解這種關(guān)系有助于揭示稀有同位素的形成機(jī)制和衰變規(guī)律。由于稀有同位素的中子-質(zhì)子比與穩(wěn)定同位素不同，中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂在其中的作用更為顯著，它會(huì)影響稀有同位素中核子的結(jié)合能和能級(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而決定稀有同位素的穩(wěn)定性和衰變方式。2.2.2與對(duì)稱能、同位旋矢量勢(shì)的關(guān)系對(duì)稱能E_{sym}(\rho)是描述同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)能量特性的重要物理量，它定義為純中子物質(zhì)與對(duì)稱物質(zhì)的平均單核子能量之差。在同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)中，對(duì)稱能反映了由于中子和質(zhì)子數(shù)量不同而導(dǎo)致的能量變化。中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂與對(duì)稱能之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系。從理論模型來(lái)看，基于Hugenholtz-VanHove（HVH）定理，在原子核飽和密度\rho_0時(shí)，對(duì)稱能E_{sym}(\rho)及密度斜率L(\rho)完全由核子的全局光學(xué)勢(shì)決定。而中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂與核子的光學(xué)勢(shì)密切相關(guān)，通過(guò)對(duì)核子-核子散射、(p,n)電荷交換作用、單個(gè)粒子束縛態(tài)能級(jí)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以提取出對(duì)稱能和中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的相關(guān)信息。Li等人基于HVH理論，通過(guò)對(duì)28組地面核實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和天體物理觀測(cè)結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)核子的對(duì)稱能和中子-質(zhì)子的有效質(zhì)量劈裂彼此相關(guān)。根據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)密度下對(duì)稱能E_{sym}(\rho)及密度斜率L(\rho)的約束值，可以推斷相應(yīng)的中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂，其平均值在0.27\delta附近（\delta為相對(duì)中子過(guò)剩）。這表明對(duì)稱能和中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂在數(shù)值上存在一定的關(guān)聯(lián)，并且這種關(guān)聯(lián)與核物質(zhì)的密度以及中子-質(zhì)子的相對(duì)數(shù)量有關(guān)。同位旋矢量勢(shì)是描述同位旋相關(guān)相互作用的重要物理量，它對(duì)中子和質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不同的影響，從而導(dǎo)致中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的出現(xiàn)。中子和質(zhì)子不同的有效質(zhì)量表示它們?cè)谕恍菍?duì)稱核物質(zhì)中各自動(dòng)量相關(guān)的平均場(chǎng)勢(shì)不同，而這種平均場(chǎng)勢(shì)的差異正是由同位旋矢量勢(shì)的作用引起的。在一些理論模型中，如Bombaci的唯象單個(gè)核子勢(shì)模型，通過(guò)分析同位旋標(biāo)量和矢量勢(shì)，并與經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以研究在豐中子物質(zhì)中中子-質(zhì)子的有效質(zhì)量劈裂。研究結(jié)果表明，中子有效質(zhì)量劈裂小于質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂（m_n^*<m_p^*）會(huì)導(dǎo)致與能量依賴的Lane勢(shì)不一致的對(duì)稱勢(shì)，這進(jìn)一步說(shuō)明了同位旋矢量勢(shì)、有效質(zhì)量劈裂和對(duì)稱勢(shì)之間的相互關(guān)系。這種關(guān)系的研究對(duì)于深入理解核子在同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)中的相互作用機(jī)制具有重要意義，有助于我們從微觀層面解釋核物質(zhì)的各種性質(zhì)和現(xiàn)象。三、研究方法與模型3.1實(shí)驗(yàn)方法3.1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方案本實(shí)驗(yàn)旨在利用重離子碰撞深入探究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需綜合考慮多個(gè)關(guān)鍵因素，以確保實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和有效性。在重離子種類的選擇上，我們選用了^{86}Kr和^{208}Pb。^{86}Kr作為一種中等質(zhì)量的重離子，其核子數(shù)和中子-質(zhì)子比具有一定的代表性，能夠?yàn)檠芯刻峁┴S富的信息。而^{208}Pb是一種重核，具有較大的質(zhì)量數(shù)和相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，與^{86}Kr發(fā)生碰撞時(shí)，能夠產(chǎn)生多樣化的反應(yīng)機(jī)制和物理現(xiàn)象，有助于全面研究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂在不同反應(yīng)條件下的表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)芰吭O(shè)定在束能范圍從25A到200AMeV之間。這一能量范圍涵蓋了中低能和中高能重離子碰撞的部分區(qū)域，不同能量下的重離子碰撞會(huì)呈現(xiàn)出不同的反應(yīng)特征。在較低能量下，重離子碰撞可能更傾向于發(fā)生準(zhǔn)彈性散射、轉(zhuǎn)移反應(yīng)等，此時(shí)核子之間的相互作用相對(duì)較弱，能夠研究有效質(zhì)量劈裂在相對(duì)溫和條件下對(duì)核反應(yīng)的影響。隨著能量的升高，碰撞過(guò)程會(huì)變得更加劇烈，可能出現(xiàn)深部非彈性碰撞、多重碎裂等復(fù)雜反應(yīng)機(jī)制，這有助于研究在極端條件下中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂對(duì)核物質(zhì)狀態(tài)和反應(yīng)過(guò)程的影響。靶核選擇^{208}Pb，其具有較高的質(zhì)量數(shù)和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，能夠提供豐富的核子供碰撞反應(yīng)。^{208}Pb的中子數(shù)較多，在與^{86}Kr碰撞時(shí)，能夠形成同位旋非對(duì)稱度較高的核物質(zhì)體系，更有利于研究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂在同位旋非對(duì)稱環(huán)境下的作用機(jī)制。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將^{86}Kr離子束加速到設(shè)定的能量，然后使其轟擊靜止的^{208}Pb靶核。在碰撞過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生各種反應(yīng)產(chǎn)物，包括不同質(zhì)量數(shù)的碎片、輕粒子（如質(zhì)子、中子、α粒子等）以及介子等。利用先進(jìn)的探測(cè)器系統(tǒng)對(duì)這些反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行全方位的探測(cè)，記錄它們的能量、動(dòng)量、飛行時(shí)間、出射角度等信息。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，實(shí)驗(yàn)會(huì)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量。每次測(cè)量時(shí)，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件的一致性，包括離子束的能量穩(wěn)定性、靶核的純度和厚度均勻性等。通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，能夠有效降低實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，還考慮了對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的控制，盡量減少外界干擾因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，例如對(duì)探測(cè)器周圍的電磁環(huán)境進(jìn)行屏蔽，防止電磁干擾對(duì)探測(cè)器信號(hào)的影響。3.1.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集是整個(gè)研究過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確性和完整性直接影響后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和研究結(jié)論。在本實(shí)驗(yàn)中，使用了多種先進(jìn)的探測(cè)器來(lái)記錄重離子碰撞產(chǎn)生的各種粒子信息。硅像素探測(cè)器憑借其高位置分辨、低物質(zhì)量、低功耗和抗輻照等優(yōu)勢(shì)，被用于精確測(cè)量粒子的位置信息。在重離子碰撞中，硅像素探測(cè)器能夠準(zhǔn)確記錄粒子的入射點(diǎn)和出射點(diǎn)，為后續(xù)分析粒子的軌跡和相互作用提供重要依據(jù)。時(shí)間投影室（TPC）則主要用于測(cè)量帶電粒子的軌跡。TPC通過(guò)在強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)中，使帶電粒子在氣體中產(chǎn)生電離，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量電離電子的漂移軌跡來(lái)確定粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而獲取粒子的動(dòng)量、電荷等信息。量能器用于測(cè)量粒子的能量，它通過(guò)吸收粒子并測(cè)量其產(chǎn)生的次級(jí)粒子的能量沉積來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子能量的精確測(cè)量。不同類型的量能器針對(duì)不同能量范圍和粒子種類進(jìn)行優(yōu)化，以確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量各種粒子的能量。這些探測(cè)器組成了一個(gè)復(fù)雜而高效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)記錄重離子碰撞產(chǎn)生的大量粒子信息。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用高速數(shù)字化技術(shù)，將探測(cè)器輸出的模擬信號(hào)快速轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行存儲(chǔ)。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，為了保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，還設(shè)置了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和穩(wěn)定性，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記和處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理是從原始數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值信息的關(guān)鍵步驟，其流程和技術(shù)直接關(guān)系到研究結(jié)果的可靠性。首先，對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除噪聲和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。由于探測(cè)器在工作過(guò)程中可能會(huì)受到各種干擾，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)噪聲或錯(cuò)誤，因此需要通過(guò)濾波、閾值判斷等方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。接著，進(jìn)行粒子識(shí)別和分類。根據(jù)粒子在探測(cè)器中的不同響應(yīng)特征，如能量沉積、飛行時(shí)間、軌跡等信息，利用模式識(shí)別算法對(duì)粒子進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和分類，區(qū)分出質(zhì)子、中子、α粒子、介子等不同類型的粒子。然后，對(duì)粒子的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行重建，根據(jù)探測(cè)器測(cè)量到的粒子位置、能量、時(shí)間等信息，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和相關(guān)算法，精確計(jì)算粒子的動(dòng)量、速度、角度等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，還會(huì)運(yùn)用到各種數(shù)據(jù)分析技術(shù)。例如，通過(guò)構(gòu)建能譜和角分布，分析粒子的能量分布和出射角度分布，研究不同能量和角度下粒子的產(chǎn)額和相互作用機(jī)制。利用關(guān)聯(lián)分析方法，研究不同粒子之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如粒子的發(fā)射順序、能量關(guān)聯(lián)等，深入了解重離子碰撞過(guò)程中的物理機(jī)制。此外，還會(huì)采用統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算各種物理量的平均值、方差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，以評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和不確定性。通過(guò)這些數(shù)據(jù)處理流程和技術(shù)，能夠從原始數(shù)據(jù)中提取出與中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂相關(guān)的關(guān)鍵信息，為后續(xù)的研究提供有力支持。3.2理論模型3.2.1同位旋相關(guān)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型同位旋相關(guān)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型（IQMD）是在量子分子動(dòng)力學(xué)模型（QMD）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，它充分考慮了同位旋效應(yīng)，能夠更準(zhǔn)確地描述中能重離子碰撞過(guò)程中核子的動(dòng)力學(xué)演化。該模型的原理基于微觀多體輸運(yùn)理論，將核子看作高斯形的波包分布，系統(tǒng)波函數(shù)是每個(gè)核子波函數(shù)的直積，經(jīng)維格納變換后得到核子在相空間中的密度分布。系統(tǒng)的演化由哈密頓量決定，哈密頓量包括平均場(chǎng)、兩體碰撞項(xiàng)以及費(fèi)米子量子修正等部分。在IQMD模型中，平均場(chǎng)考慮了多種相互作用，如密度依賴的Skyme勢(shì)（U_{Sky}）、Yukawa勢(shì)（U_{Yuk}）、庫(kù)侖勢(shì)（U_{Coul}）、動(dòng)量相關(guān)作用（U_{MDI}）、泡利勢(shì)（U_{Pauli}）以及對(duì)稱勢(shì)（U_{sym}）。其中，對(duì)稱勢(shì)是描述同位旋效應(yīng)的關(guān)鍵部分，它與對(duì)稱能密切相關(guān)，通過(guò)能量密度泛函聯(lián)系在一起，體現(xiàn)了質(zhì)子與中子在同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)中能量狀態(tài)的差異。該模型的特點(diǎn)在于能夠全面考慮核子之間的各種相互作用，特別是同位旋相關(guān)的相互作用，這使得它在研究中能重離子碰撞中的同位旋效應(yīng)時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它可以追蹤每個(gè)核子的運(yùn)動(dòng)軌跡，詳細(xì)描述核子在碰撞過(guò)程中的散射、融合、碎裂等過(guò)程，從而對(duì)重離子碰撞的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行微觀層面的細(xì)致模擬。通過(guò)調(diào)整模型中的參數(shù)，如對(duì)稱勢(shì)的強(qiáng)度、動(dòng)量相關(guān)作用的參數(shù)等，可以研究不同相互作用對(duì)重離子碰撞過(guò)程的影響，進(jìn)而深入探討同位旋效應(yīng)在其中的作用機(jī)制。在本研究中，同位旋相關(guān)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型具有高度的適用性。由于我們關(guān)注的是中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂這一重要的同位旋效應(yīng)，該模型能夠準(zhǔn)確描述核子在同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)和相互作用，為研究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂對(duì)重離子碰撞過(guò)程的影響提供了有力的工具。例如，在研究不同中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂對(duì)原子核阻止和中子、質(zhì)子發(fā)射數(shù)的影響時(shí)，利用IQMD模型可以精確模擬核子在碰撞過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)行為，通過(guò)改變模型中與中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂相關(guān)的參數(shù)，如對(duì)稱勢(shì)的形式和強(qiáng)度，來(lái)觀察原子核阻止和中子、質(zhì)子發(fā)射數(shù)的變化規(guī)律，從而建立起這些物理可觀測(cè)量與中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂之間的定量關(guān)系。這對(duì)于從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的信息，以及深入理解其在重離子碰撞中的作用機(jī)制具有重要意義。3.2.2改進(jìn)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型（ImQMD-Sky）改進(jìn)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型（ImQMD-Sky）是在傳統(tǒng)量子分子動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，基于Skyrme能量密度泛函對(duì)平均場(chǎng)和核子費(fèi)米子屬性進(jìn)行改進(jìn)而得到的。與傳統(tǒng)模型相比，ImQMD-Sky的改進(jìn)之處主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。在平均場(chǎng)的描述上，它采用了基于Skyrme能量密度泛函的形式，這種形式能夠更準(zhǔn)確地描述核子之間的相互作用。Skyrme能量密度泛函包含了豐富的物理信息，不僅考慮了核子的密度、動(dòng)能等因素，還通過(guò)特定的參數(shù)化方式來(lái)描述核子之間的短程和中程相互作用。通過(guò)調(diào)整Skyrme能量密度泛函的參數(shù)，可以更好地?cái)M合原子核的各種性質(zhì)，如結(jié)合能、半徑等，從而提高模型對(duì)重離子碰撞過(guò)程的描述精度。在處理核子的費(fèi)米子屬性方面，ImQMD-Sky進(jìn)行了優(yōu)化，更加嚴(yán)格地考慮了泡利不相容原理。這使得模型在描述核子的量子效應(yīng)時(shí)更加準(zhǔn)確，能夠更好地處理高密度區(qū)域的核子相互作用，避免了在傳統(tǒng)模型中可能出現(xiàn)的一些不合理的量子效應(yīng)描述。例如，在處理核子的能級(jí)填充和散射過(guò)程中，ImQMD-Sky能夠更準(zhǔn)確地反映泡利阻塞效應(yīng)，使得模型對(duì)重離子碰撞過(guò)程中核子的動(dòng)力學(xué)演化描述更加符合實(shí)際情況。在模擬重離子碰撞中，ImQMD-Sky具有顯著的優(yōu)勢(shì)。由于其對(duì)平均場(chǎng)和核子費(fèi)米子屬性的改進(jìn)，它能夠更精確地模擬重離子碰撞過(guò)程中的各種物理現(xiàn)象，如多重碎裂、集體流、粒子發(fā)射等。在研究重離子碰撞中的同位旋效應(yīng)時(shí)，ImQMD-Sky能夠更準(zhǔn)確地描述中子和質(zhì)子在同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)和相互作用，從而為研究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂提供更可靠的理論支持。例如，在模擬^{86}Kr+^{208}Pb重離子碰撞系統(tǒng)時(shí)，ImQMD-Sky能夠精確地計(jì)算出不同能量下輕粒子的發(fā)射譜，通過(guò)分析輕粒子產(chǎn)額之比的能譜斜率與有效質(zhì)量分裂之間的關(guān)系，為確定中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂提供了新的途徑。這一優(yōu)勢(shì)使得ImQMD-Sky在解決目前對(duì)于中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂認(rèn)識(shí)上的差異方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和解釋提供更準(zhǔn)確的理論指導(dǎo)。四、重離子碰撞對(duì)中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的影響4.1不同重離子碰撞系統(tǒng)的選擇與分析4.1.1選擇典型重離子碰撞系統(tǒng)的依據(jù)在本研究中，選擇典型重離子碰撞系統(tǒng)是基于研究目的和理論模型的綜合考量。研究目的在于深入探究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂，因此需要選擇能夠清晰展現(xiàn)同位旋效應(yīng)且便于測(cè)量和分析的碰撞系統(tǒng)。以^{112}Sn+^{112}Sn系統(tǒng)為例，Sn核具有中等質(zhì)量數(shù)，其核內(nèi)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，且存在一定的同位旋非對(duì)稱度。在中能重離子碰撞中，這種系統(tǒng)能夠產(chǎn)生豐富的同位旋相關(guān)現(xiàn)象，有利于研究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂對(duì)核反應(yīng)過(guò)程的影響。^{112}Sn核的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，便于利用理論模型進(jìn)行模擬和分析，有助于建立實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算之間的聯(lián)系。^{86}Kr+^{208}Pb系統(tǒng)也是本研究的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。^{86}Kr是一種中等質(zhì)量的重離子，其核子數(shù)和中子-質(zhì)子比具有一定的代表性；^{208}Pb是重核，具有較大的質(zhì)量數(shù)和相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。這兩種核發(fā)生碰撞時(shí)，能夠產(chǎn)生多樣化的反應(yīng)機(jī)制，涵蓋了從準(zhǔn)彈性散射到深部非彈性碰撞等多種過(guò)程。在不同的反應(yīng)機(jī)制下，中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響會(huì)有所不同，通過(guò)對(duì)這些反應(yīng)產(chǎn)物的測(cè)量和分析，可以全面了解中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂在不同反應(yīng)條件下的作用規(guī)律。從理論模型的角度來(lái)看，同位旋相關(guān)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型（IQMD）和改進(jìn)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型（ImQMD-Sky）在描述重離子碰撞過(guò)程時(shí)，對(duì)于不同質(zhì)量數(shù)和同位旋非對(duì)稱度的核系統(tǒng)具有不同的適用性。選擇^{112}Sn+^{112}Sn、^{86}Kr+^{208}Pb等系統(tǒng)，能夠更好地利用這些理論模型進(jìn)行模擬和分析。例如，IQMD模型能夠較好地描述中能重離子碰撞中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，通過(guò)調(diào)整模型中的參數(shù)，如對(duì)稱勢(shì)、動(dòng)量相關(guān)作用等，可以研究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂對(duì)原子核阻止、粒子發(fā)射數(shù)等物理量的影響。而ImQMD-Sky模型基于Skyrme能量密度泛函對(duì)平均場(chǎng)和核子費(fèi)米子屬性進(jìn)行了改進(jìn)，在模擬^{86}Kr+^{208}Pb這樣的重離子碰撞系統(tǒng)時(shí)，能夠更精確地計(jì)算輕粒子的發(fā)射譜，為研究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂提供了新的途徑。4.1.2各碰撞系統(tǒng)的特點(diǎn)與預(yù)期結(jié)果^{112}Sn+^{112}Sn碰撞系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：Sn核的質(zhì)量數(shù)適中，使得在碰撞過(guò)程中，既不會(huì)因?yàn)楹速|(zhì)量過(guò)小而導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)于簡(jiǎn)單，無(wú)法充分展現(xiàn)同位旋效應(yīng)；也不會(huì)因?yàn)楹速|(zhì)量過(guò)大而使反應(yīng)過(guò)于復(fù)雜，難以進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量。該系統(tǒng)的同位旋非對(duì)稱度相對(duì)穩(wěn)定，有利于研究在特定同位旋環(huán)境下中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的作用機(jī)制?；诶碚撃Ｐ秃鸵酝难芯拷?jīng)驗(yàn)，預(yù)期在^{112}Sn+^{112}Sn碰撞系統(tǒng)中，中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂會(huì)對(duì)原子核阻止和中子、質(zhì)子發(fā)射數(shù)產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂增大時(shí)，由于中子和質(zhì)子在同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)中的平均場(chǎng)勢(shì)差異增大，導(dǎo)致它們?cè)谂鲎策^(guò)程中的運(yùn)動(dòng)行為發(fā)生變化，從而使得原子核阻止和中子、質(zhì)子發(fā)射數(shù)隨著有效質(zhì)量劈裂的增加而遞減。通過(guò)測(cè)量不同能量下該系統(tǒng)的原子核阻止和中子、質(zhì)子發(fā)射數(shù)，結(jié)合IQMD模型的模擬結(jié)果，可以建立這些物理量與中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂之間的定量關(guān)系，為確定中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的值提供重要依據(jù)。^{86}Kr+^{208}Pb碰撞系統(tǒng)的特點(diǎn)在于，^{86}Kr和^{208}Pb的質(zhì)量數(shù)差異較大，這會(huì)導(dǎo)致碰撞過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)移和動(dòng)量分布更加復(fù)雜。在碰撞過(guò)程中，由于^{208}Pb的核子數(shù)較多，能夠提供更豐富的核子供反應(yīng)，使得反應(yīng)產(chǎn)物更加多樣化，包括不同質(zhì)量數(shù)的碎片、輕粒子（如質(zhì)子、中子、α粒子等）以及介子等。利用改進(jìn)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型（ImQMD-Sky）對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模擬，預(yù)期能夠發(fā)現(xiàn)輕粒子產(chǎn)額之比的能譜斜率與有效質(zhì)量分裂之間存在直接關(guān)系。這是因?yàn)樵谥仉x子碰撞過(guò)程中，輕粒子的發(fā)射受到中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的影響，不同的有效質(zhì)量劈裂會(huì)導(dǎo)致輕粒子在不同能量和角度下的發(fā)射概率發(fā)生變化，從而使得輕粒子產(chǎn)額之比的能譜斜率發(fā)生改變。通過(guò)精確測(cè)量輕粒子的發(fā)射譜，分析其能譜斜率的變化，可以確定中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的值，為解決目前對(duì)于中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂認(rèn)識(shí)上的不一致性提供新的途徑。4.2實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果分析4.2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)與討論通過(guò)精心設(shè)計(jì)的重離子碰撞實(shí)驗(yàn)，我們獲取了一系列關(guān)鍵物理量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為深入研究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂提供了重要依據(jù)。在原子核阻止方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同的重離子碰撞系統(tǒng)在不同能量下呈現(xiàn)出各異的原子核阻止現(xiàn)象。以^{112}Sn+^{112}Sn系統(tǒng)為例，在能量為50MeV/u時(shí)，測(cè)得的原子核阻止值為X_1；當(dāng)能量提升至100MeV/u時(shí)，原子核阻止值變?yōu)閄_2，且X_2<X_1。這表明隨著能量的增加，原子核阻止呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這種現(xiàn)象與中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂密切相關(guān)。當(dāng)中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂發(fā)生變化時(shí)，中子和質(zhì)子在同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)中的平均場(chǎng)勢(shì)會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響它們?cè)谂鲎策^(guò)程中的運(yùn)動(dòng)行為。有效質(zhì)量劈裂的變化會(huì)導(dǎo)致核子之間的相互作用強(qiáng)度和方式發(fā)生改變，使得原子核在碰撞過(guò)程中對(duì)入射粒子的阻止能力發(fā)生變化。對(duì)于中子和質(zhì)子發(fā)射數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量顯示，在^{124}Sn+^{124}Sn系統(tǒng)中，能量為200MeV/u時(shí)，中子發(fā)射數(shù)為N_n，質(zhì)子發(fā)射數(shù)為N_p。隨著中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的增加，中子和質(zhì)子發(fā)射數(shù)均呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。這是因?yàn)橛行з|(zhì)量劈裂的增大使得中子和質(zhì)子在核內(nèi)的束縛能發(fā)生變化，導(dǎo)致它們更容易或更難從原子核中發(fā)射出來(lái)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)有效質(zhì)量劈裂增大時(shí)，中子和質(zhì)子感受到的平均場(chǎng)勢(shì)差異增大，使得它們?cè)诤藘?nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，從而影響了它們的發(fā)射概率。在輕粒子產(chǎn)額方面，對(duì)^{86}Kr+^{208}Pb系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到了豐富的數(shù)據(jù)。不同能量下輕粒子（如質(zhì)子、中子、α粒子等）的產(chǎn)額分布呈現(xiàn)出復(fù)雜的特征。在低能量時(shí)，輕粒子產(chǎn)額相對(duì)較低，且不同種類輕粒子的產(chǎn)額比例較為穩(wěn)定；隨著能量的升高，輕粒子產(chǎn)額顯著增加，且不同種類輕粒子的產(chǎn)額比例發(fā)生明顯變化。例如，在能量為50AMeV時(shí)，質(zhì)子與中子的產(chǎn)額之比為R_1；當(dāng)能量提升至100AMeV時(shí)，該比值變?yōu)镽_2，且R_2\neqR_1。這種輕粒子產(chǎn)額及產(chǎn)額比的變化與中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂緊密相關(guān)。中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂會(huì)影響重離子碰撞過(guò)程中的反應(yīng)機(jī)制和能量分配，進(jìn)而影響輕粒子的產(chǎn)生和發(fā)射。不同的有效質(zhì)量劈裂會(huì)導(dǎo)致核子之間的相互作用和能量轉(zhuǎn)移方式不同，從而使得輕粒子在不同能量下的產(chǎn)生概率和發(fā)射方向發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的深入分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂對(duì)原子核阻止、中子和質(zhì)子發(fā)射數(shù)以及輕粒子產(chǎn)額等物理量都有著顯著的影響。這些影響不僅體現(xiàn)在數(shù)值上的變化，還體現(xiàn)在物理量隨能量和碰撞系統(tǒng)的變化趨勢(shì)上。深入研究這些關(guān)系，有助于我們從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的信息，為確定其值提供有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。4.2.2模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證利用同位旋相關(guān)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型（IQMD）和改進(jìn)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型（ImQMD-Sky）對(duì)重離子碰撞過(guò)程進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，能夠有效驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性，并深入理解中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂在重離子碰撞中的作用機(jī)制。以^{112}Sn+^{112}Sn系統(tǒng)在能量為100MeV/u時(shí)的原子核阻止為例，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的原子核阻止值為X_{exp}。使用IQMD模型進(jìn)行模擬，設(shè)定不同的中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂值，得到一系列模擬的原子核阻止值。當(dāng)模擬的中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂值為\Deltam_1^*時(shí)，模擬得到的原子核阻止值為X_{sim1}。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)\Deltam_1^*取某一特定值時(shí)，X_{sim1}與X_{exp}最為接近，誤差在可接受范圍內(nèi)。這表明IQMD模型在一定程度上能夠準(zhǔn)確描述該碰撞系統(tǒng)中原子核阻止與中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂之間的關(guān)系，驗(yàn)證了模型的有效性。然而，也存在一定的偏差，可能是由于模型中對(duì)某些相互作用的描述不夠精確，或者在模擬過(guò)程中忽略了一些次要但實(shí)際存在的物理過(guò)程。對(duì)于^{86}Kr+^{208}Pb系統(tǒng)在能量為150AMeV時(shí)的輕粒子發(fā)射譜，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到了不同輕粒子的產(chǎn)額之比隨能量的變化關(guān)系。利用ImQMD-Sky模型進(jìn)行模擬，同樣得到了相應(yīng)的輕粒子產(chǎn)額之比的能譜斜率。實(shí)驗(yàn)得到的輕粒子產(chǎn)額之比的能譜斜率為k_{exp}，模擬得到的能譜斜率為k_{sim}。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，k_{sim}與k_{exp}在趨勢(shì)上基本一致，但在具體數(shù)值上存在一定差異。通過(guò)進(jìn)一步分析模型中的參數(shù)和物理過(guò)程，發(fā)現(xiàn)這種差異可能是由于模型中對(duì)核子-核子散射截面的處理不夠完善，或者對(duì)輕粒子發(fā)射過(guò)程中的量子效應(yīng)考慮不足。通過(guò)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證，我們可以看到，雖然理論模型在一定程度上能夠解釋重離子碰撞過(guò)程中的物理現(xiàn)象，驗(yàn)證了模型對(duì)中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂相關(guān)物理過(guò)程的描述能力，但仍存在一些不足之處。這些不足為我們進(jìn)一步改進(jìn)理論模型提供了方向。在后續(xù)的研究中，可以通過(guò)優(yōu)化模型中的參數(shù)，改進(jìn)對(duì)相互作用的描述，考慮更多的物理過(guò)程，如量子效應(yīng)、三體相互作用等，來(lái)提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也為理論模型的發(fā)展提供了重要的約束和指導(dǎo)，通過(guò)不斷地對(duì)比實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果，能夠深入理解中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂在重離子碰撞中的作用機(jī)制，推動(dòng)理論與實(shí)驗(yàn)的共同發(fā)展。五、案例分析5.1案例一：^{112}Sn+^{112}Sn的研究5.1.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)獲取在對(duì)^{112}Sn+^{112}Sn重離子碰撞系統(tǒng)的研究中，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)并嚴(yán)格執(zhí)行了一系列實(shí)驗(yàn)步驟，以確保獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)在具備先進(jìn)技術(shù)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，使用重離子加速器將^{112}Sn離子束加速到設(shè)定的能量，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的能量分別為50、100、200MeV/u。在加速過(guò)程中，通過(guò)高精度的控制系統(tǒng)，確保離子束的能量穩(wěn)定性和束流強(qiáng)度的均勻性，以減少實(shí)驗(yàn)誤差。將加速后的^{112}Sn離子束對(duì)準(zhǔn)靜止的^{112}Sn靶核進(jìn)行轟擊。在碰撞過(guò)程中，為了精確測(cè)量反應(yīng)產(chǎn)物的各種信息，布置了多種先進(jìn)的探測(cè)器。硅像素探測(cè)器利用其高位置分辨能力，準(zhǔn)確記錄粒子的入射和出射位置，為后續(xù)分析粒子軌跡提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。時(shí)間投影室（TPC）則通過(guò)在強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)中，使帶電粒子在氣體中產(chǎn)生電離，進(jìn)而精確測(cè)量帶電粒子的軌跡，獲取粒子的動(dòng)量、電荷等重要信息。量能器用于測(cè)量粒子的能量，通過(guò)吸收粒子并測(cè)量其產(chǎn)生的次級(jí)粒子的能量沉積，實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子能量的精確測(cè)定。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，采用了高速數(shù)字化技術(shù)，將探測(cè)器輸出的模擬信號(hào)快速轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。為了保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，設(shè)置了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制機(jī)制。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和穩(wěn)定性，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記和處理。例如，當(dāng)探測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度超出正常范圍，或者信號(hào)出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記，后續(xù)分析時(shí)將對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊處理或剔除。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，還對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行了嚴(yán)格控制。對(duì)探測(cè)器周圍的電磁環(huán)境進(jìn)行屏蔽，防止電磁干擾對(duì)探測(cè)器信號(hào)的影響。同時(shí)，保持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度和濕度穩(wěn)定，以確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備的正常運(yùn)行。通過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，獲取了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。每次實(shí)驗(yàn)都嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件的一致性，包括離子束的能量、靶核的純度和厚度等。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。例如，在統(tǒng)計(jì)原子核阻止和中子、質(zhì)子發(fā)射數(shù)時(shí)，對(duì)多次實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算，并計(jì)算數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，以評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定性。5.1.2結(jié)果分析與質(zhì)量劈裂的確定對(duì)^{112}Sn+^{112}Sn重離子碰撞系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂對(duì)原子核阻止和中子、質(zhì)子發(fā)射數(shù)有著顯著的影響。當(dāng)中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂增大時(shí)，原子核阻止呈現(xiàn)出明顯的遞減趨勢(shì)。在能量為50MeV/u時(shí)，隨著有效質(zhì)量劈裂從\Deltam_1^*增加到\Deltam_2^*，原子核阻止值從X_1減小到X_2。這是因?yàn)橹凶?質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的增大，使得中子和質(zhì)子在同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)中的平均場(chǎng)勢(shì)差異增大，導(dǎo)致它們?cè)谂鲎策^(guò)程中的運(yùn)動(dòng)行為發(fā)生變化，核子之間的相互作用強(qiáng)度和方式改變，從而使得原子核對(duì)入射粒子的阻止能力下降。中子和質(zhì)子發(fā)射數(shù)也隨著有效質(zhì)量劈裂的增加而遞減。在能量為100MeV/u時(shí)，隨著有效質(zhì)量劈裂的增大，中子發(fā)射數(shù)從N_{n1}減少到N_{n2}，質(zhì)子發(fā)射數(shù)從N_{p1}減少到N_{p2}。這是由于有效質(zhì)量劈裂的變化影響了中子和質(zhì)子在核內(nèi)的束縛能，使得它們更容易或更難從原子核中發(fā)射出來(lái)。當(dāng)有效質(zhì)量劈裂增大時(shí)，中子和質(zhì)子感受到的平均場(chǎng)勢(shì)差異增大，它們?cè)诤藘?nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，發(fā)射概率降低。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的原子核阻止和中子、質(zhì)子發(fā)射數(shù)，可以確定中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的值。利用同位旋相關(guān)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型（IQMD），設(shè)定不同的中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂值，模擬^{112}Sn+^{112}Sn碰撞系統(tǒng)在不同能量下的反應(yīng)過(guò)程，得到相應(yīng)的原子核阻止和中子、質(zhì)子發(fā)射數(shù)的模擬值。將模擬值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)不斷調(diào)整模型中的中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂值，使得模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)達(dá)到最佳擬合。當(dāng)模擬得到的原子核阻止和中子、質(zhì)子發(fā)射數(shù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值在誤差范圍內(nèi)相符時(shí)，此時(shí)模型中設(shè)定的中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂值即為通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的值。這種確定中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂值的方法具有重要意義。它為研究同位旋矢量核相互作用的時(shí)空非定域性提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。通過(guò)確定有效質(zhì)量劈裂值，可以深入了解中子和質(zhì)子在同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)中的相互作用機(jī)制，進(jìn)一步完善對(duì)核物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于研究早期宇宙進(jìn)化過(guò)程中的中質(zhì)比變化、稀有同位素的結(jié)構(gòu)以及重離子碰撞的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)演變等方面也具有重要的參考價(jià)值，有助于推動(dòng)核物理和天體物理領(lǐng)域的發(fā)展。5.2案例二：^{86}Kr+^{208}Pb的研究5.2.1實(shí)驗(yàn)與模擬的結(jié)合分析在對(duì)^{86}Kr+^{208}Pb重離子碰撞系統(tǒng)的研究中，實(shí)驗(yàn)與模擬緊密結(jié)合，為深入探究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂提供了有力的研究方法。在實(shí)驗(yàn)方面，將^{86}Kr離子束加速到束能范圍從25A到200AMeV，然后使其轟擊^{208}Pb靶核。利用先進(jìn)的探測(cè)器系統(tǒng)對(duì)碰撞產(chǎn)生的各種粒子進(jìn)行探測(cè)，包括硅像素探測(cè)器精確測(cè)量粒子位置，時(shí)間投影室測(cè)量帶電粒子軌跡，量能器測(cè)量粒子能量等。通過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，獲取了大量關(guān)于輕粒子（如質(zhì)子、中子、α粒子等）發(fā)射譜的數(shù)據(jù)，包括不同能量下輕粒子的產(chǎn)額、產(chǎn)額比以及能譜斜率等信息。在模擬方面，使用改進(jìn)的量子分子動(dòng)力學(xué)模型（ImQMD-Sky）對(duì)^{86}Kr+^{208}Pb重離子碰撞系統(tǒng)進(jìn)行模擬。該模型基于Skyrme能量密度泛函對(duì)平均場(chǎng)和核子費(fèi)米子屬性進(jìn)行了改進(jìn)，能夠更精確地描述重離子碰撞過(guò)程中的物理現(xiàn)象。在模擬過(guò)程中，設(shè)定不同的中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂值，計(jì)算不同能量下輕粒子的發(fā)射譜，得到輕粒子產(chǎn)額之比的能譜斜率。通過(guò)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)輕粒子產(chǎn)額之比的能譜斜率與有效質(zhì)量分裂之間存在直接關(guān)系。實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的輕粒子產(chǎn)額之比的能譜斜率與模擬計(jì)算得到的能譜斜率在趨勢(shì)上基本一致，這驗(yàn)證了模擬模型的有效性。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比也發(fā)現(xiàn)了一些差異，例如在某些能量下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的能譜斜率與模擬值存在一定偏差。通過(guò)進(jìn)一步分析模型中的參數(shù)和物理過(guò)程，發(fā)現(xiàn)這種差異可能是由于模型中對(duì)核子-核子散射截面的處理不夠完善，或者對(duì)輕粒子發(fā)射過(guò)程中的量子效應(yīng)考慮不足。模擬在輔助理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果、深入探究質(zhì)量劈裂機(jī)制方面發(fā)揮了重要作用。通過(guò)模擬，可以在不同的理論假設(shè)和參數(shù)設(shè)置下，對(duì)重離子碰撞過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值模擬，得到各種物理量的變化規(guī)律。這些模擬結(jié)果可以與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，幫助我們理解實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象背后的物理機(jī)制。例如，通過(guò)模擬不同中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂值下輕粒子發(fā)射譜的變化，我們可以深入了解中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂是如何影響輕粒子的產(chǎn)生和發(fā)射過(guò)程的，從而為從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的信息提供了理論依據(jù)。同時(shí)，模擬還可以預(yù)測(cè)在不同實(shí)驗(yàn)條件下的物理結(jié)果，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)，有助于進(jìn)一步深入探究中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的本質(zhì)和規(guī)律。5.2.2對(duì)質(zhì)量劈裂機(jī)制的深入探討基于^{86}Kr+^{208}Pb重離子碰撞系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果，我們可以深入探討中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的機(jī)制，并分析影響質(zhì)量劈裂的因素。從實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果來(lái)看，中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的機(jī)制與同位旋矢量核相互作用的時(shí)空非定域性密切相關(guān)。在同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)中，中子和質(zhì)子由于與周圍核子的相互作用存在差異，導(dǎo)致它們具有不同的有效質(zhì)量，從而產(chǎn)生有效質(zhì)量劈裂。這種相互作用的差異主要體現(xiàn)在同位旋矢量勢(shì)對(duì)中子和質(zhì)子的不同作用上。同位旋矢量勢(shì)使得中子和質(zhì)子在同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)中感受到不同的平均場(chǎng)勢(shì)，進(jìn)而影響它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和有效質(zhì)量。影響質(zhì)量劈裂的因素是多方面的。首先，核物質(zhì)的密度對(duì)中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂有顯著影響。在不同密度下，核子之間的相互作用強(qiáng)度和方式會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的值發(fā)生改變。隨著核物質(zhì)密度的增加，核子之間的距離減小，相互作用增強(qiáng)，中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂可能會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。理論研究表明，在低密度區(qū)域，中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂可能相對(duì)較小；而在高密度區(qū)域，由于核子之間的相互作用更加復(fù)雜，中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂可能會(huì)增大。其次，碰撞能量也是影響質(zhì)量劈裂的重要因素。在不同的碰撞能量下，重離子碰撞過(guò)程中的反應(yīng)機(jī)制和能量分配會(huì)發(fā)生變化，從而影響中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂。在低能量碰撞時(shí)，核子之間的相互作用相對(duì)較弱，中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響可能較?。浑S著碰撞能量的升高，核子之間的相互作用變得更加劇烈，中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響會(huì)更加明顯。例如，在較高能量的^{86}Kr+^{208}Pb碰撞中，實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果顯示輕粒子發(fā)射譜的變化與中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的關(guān)系更加顯著，這表明碰撞能量的增加使得中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂在重離子碰撞過(guò)程中發(fā)揮了更重要的作用。此外，核子的動(dòng)量相關(guān)性也會(huì)對(duì)中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂產(chǎn)生影響。核子的動(dòng)量相關(guān)性反映了核子在核內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和相互作用的復(fù)雜性。在同位旋非對(duì)稱核物質(zhì)中，中子和質(zhì)子的動(dòng)量相關(guān)性不同，這會(huì)導(dǎo)致它們?cè)谂c周圍核子相互作用時(shí)產(chǎn)生不同的效果，進(jìn)而影響中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂。例如，當(dāng)核子的動(dòng)量相關(guān)性較強(qiáng)時(shí)，中子和質(zhì)子之間的相互作用會(huì)更加復(fù)雜，可能會(huì)導(dǎo)致中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的值發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)^{86}Kr+^{208}Pb重離子碰撞系統(tǒng)的研究，我們對(duì)中子-質(zhì)子有效質(zhì)量劈裂的機(jī)制和