第28卷第1期　2008年3月物　理　学　进　展PRO GRESS IN P H YSICS Vol.28No.1　Mar.2008　收稿日期:2007211229基金项目:国家自然科学基金(批准号:10474116,10674152)文章编号:100020542(2008)0120073206奇异性核物理前沿问题党蕾,李磊,宁平治(南开大学物理系,天津300071)摘要:　简要评述奇异性核物理的几个前沿问题,包括Λ超核能谱精细结构与ΛN 相互作用提取问题,自由YN 势的改进问题、K 核问题、Σ超子2核势问题、Λ超子2Λ超子相互作用强度问题、中子星内部奇异粒子成分问题等。

关键词:奇异性核物理;超核;ΛN 相互作用;K 核中图分类号:　O571　文献标识码:A0　引言奇异性核物理指带有奇异量子数(包含s 夸克)的核物理,主要研究奇异粒子之间的二体相互作用、奇异粒子与原子核的相互作用、奇异性核物质性质等。

奇异性核物理近年来不论在实验上还是理论上都有了不少新发展,高精度、高技术实验揭示了关于超子、奇异介子与核相互作用的许多新现象和新规律。

我国兰州重离子加速器冷却储存环(H IRFL 2CSR )将是我国唯一一台工作在中高能区的核物理实验装置。

已有的理论与实验研究表明,在CSR 能区附近的核2核碰撞或质子2核碰撞可以产生大量带有奇异性自由度的K 介子和超核,这将有力推进我国的奇异性核物理研究。

迄今实验上已发现五十多种超核。

对于单Λ超核,理论和实验方面都已做了大量工作。

丰富的实验数据允许对由轻核到208Pb 的数十个Λ超核的单粒子束缚能进行系统研究。

此外,当前国际上高技术的实验设备可以将能量分辨率精确到keV 的量级,可实现Λ超核能谱精细结构的测量,以进一步研究ΛN 相互作用的细节,这是当前奇异性核物理前沿备受关注的问题。

在自由YN 势方面,近年来国际上通用的Nijmegen 和J ulich 两大模型都做了较大改进,得到比较好的结果;自由YN 势的改进会对微观有效ΛN 相互作用有何影响是有待解决的问题之一。

近年颇有争议的K 核问题仍在研究,对于能否形成K 核深束缚态,理论计算结果还存在争执;对于实验上发现的K 核束缚态信号也存在不同解释。

Σ超子2核势的问题和Λ超子2Λ超子相互作用强度的问题,以及与此相关的中子星内部奇异粒子成分问题,也日益引起人们的兴趣。

1　Λ超核的系统研究Λ超核是指核内的一个核子被Λ超子取代而形成的束缚态,在理论和实验方面都已取得很大进展,通过不同的产生超核的实验方法已得到约40种Λ超核。

图1给出实验上截至2005年已经发现的38种Λ超核,及其相应的产生方法。

比较丰富的实验数据允许我们对Λ超核进行系统研究。

如对普通核子的束缚能问题,已经有很好的半经验质量公式,若能找到超核的半经验质量公式,将可非常方便快捷地对Λ超核进行研究及预言。

文献[1]对44种超核的超子分离能数据进行了系统研究,给出超核的质量半经验公式为:B (A ,Z )=a v A -a s A 2/3-a c Z (Z -1)/A1/3-a sym (N -Z c )2/[(1+e-A/k)A ]+δnew +n Y [c 0・(m Y )-c 1-c 2|S|/A 2/3]其中最后一项为超核的附加项,n Y 、m Y 和S 分别是超核中包含的超子数目、超子质量以及超子携带的奇异量子数。

文献[1]由拟合超子分离能数据给出的上式最后一项的结果为n Y [0.0335m Y -26.7-48.7|S |/A 2/3],其中c 0、c 1、c 2的值由35个Λ超核、3个双Λ超核以及6个Ξ超核的超子分离能数据拟定。

超核的质量半经验公式能否与微观理论计算相符,能否准确预言更多超核的超子束缚能?还需进一步研究。

图1　2005年实验上已发现的Λ超核,右下角是相应的产生法[2]2　Λ超核能谱精细结构和ΛN相互作用提取问题 由于Λ超子与核子的自旋相关力很弱,引起的能级分裂很小(仅约数十至数百keV),实验测量一直很困难。

近年来由于KE K超导K谱仪(S KS)和超球探测系统(Hyperball)等技术设备的问世,使得实验上可分辨的能量间隔由以前的1～2MeV缩小到几个keV,可以测出γ能谱的精细结构(如图2所示的7ΛLi超核γ能谱的精细结构),进而确定ΛN相互作用的细节。

图2　7ΛLi超核能谱的精细结构 超核实验技术和测量方法的重大改进,使人们对超核精细结构谱学的实验和理论研究产生新的兴趣,这些兴趣主要体现在以下三个方面:超子2核子(YN)相互作用、杂质(imp urity)核物理和重子的核介质效应(medium effect)。

超核物理的根本任务之一是在重子八重态框架下统一研究重子2重子(YY)相互作用。

与NN散射数据相比,YN和YY散射数据极少,因此超核成为当前研究YN和YY相互作用的唯一切实可行的途径。

由于基于介子交换理论的YN和YY相互作用势与超核实验能谱有密切的联系,对Λ超核能谱精细结构的研究可以使我们进一步认识YN相互作用的细节。

此外,超子作为一个杂质粒子进入核子系统,还会对核环境产生影响。

研究超子嵌入核内后引起核大小、形状等性质的变化也是一个非常有意义的课题。

超核多体系统中,由于超子作为可区分的“杂质”粒子不必服从泡利原理,它与核运动的耦合颇为简单,作为探针可以探知核内深部的结构性质,这是由超核系统研究核结构的独特优点。

作为杂质对核影响的另一侧面,核环境也会影响嵌入核内的超子的性质,研究超子的核介质效应也具有重要意义。

对Λ超核能谱精细结构的研究,提出许多有待解决的问题。

例如:(1)从Λ超核能谱精细结构可以提取哪些新知识?(2)如何由ΛN二体相互作用计算Λ超核能谱精细结构?(3)怎样检验新的基于介子交换理论的YN和YY相互作用势?(4)如何系统地改变基于介子交换理论的YN 和YY相互作用势中的未确定参数,并观察其对超核结构的影响?37　第1期党蕾,李磊,宁平治:奇异性核物理前沿问题 (5)怎样精确确定ΛN二体相互作用的自旋2轨道相互作用强度以及其它的自旋相关分量,并进一步检验已有的ΛN有效和自由二体相互作用理论模型?(6)对奇异性核多体系统———Λ超核———本身的结构性质有什么新认识?图3　自由空间中,NN相互作用势和ΛN相互作用势的区别 ΛN相互作用的一个特点是,同位旋守恒要求自由空间中Λ超子与核子N的相互作用不存在单π或单ρ交换项(而在NN相互作用中是允许的),见图3。

ΛN相互作用的第二个特点是存在两类自旋2轨道耦合作用,其中一类与超子自旋有关,另一类与核子自旋有关。

有效ΛN二体相互作用的自旋相关性可分为四部分:V s(r)σL・σN;(自旋2自旋相关项)V L(r)σΛ・LΛN;(Λ自旋2轨道相关项)V N(r)σN・LΛN;(N自旋2轨道相关项)V T(r){3(σΛ・r)(σN・r)/r2-σΛ・σN}。

(张量项部分) Millener等人采用Slater径向积分的方法将ΛN有效二体力的四个自旋相关部分参数化,并通过拟合几个p壳超核的M1跃迁数据确定了这些唯象的有效ΛN二体相互作用参数[3]。

这样对超核能谱精细结构的研究就可检验已有的ΛN有效的和自由的二体相互作用理论模型。

但是最近中国原子能科学研究院周书华小组发表文章指出[4],他们用改进的Hyperball探测器获得的12ΛC和11ΛB的新实验结果所提取的自旋相关ΛN有效相互作用参数与以前的7ΛLi 数值(见图2)十分不同,这说明由以前实验数据提取的自旋相关ΛN有效相互作用参数不可靠,有待进一步更精确的实验数据和理论分析。

另外,Nijmegen模型D已被用来与唯象有效二体力的参数比较,文献[5]对NSC89、NSC97f和J ulich B等三种微观二体力做了对应唯象自旋相关ΛN有效相互作用参数的计算与比较,发现不同模型的结果相差比较大,有的甚至符号相反。

对此尚待深入研究。

另一个值得关注的问题是如何改进自由YN 势。

当前国际上比较常用的自由YN势主要有两种:Nijmegen模型和J ulich模型,它们均由核子2核子单玻色子交换模型(NN2OB EP)推广而来,只是其重子耦合常数、各自所遵从的对称性以及交换介子有所不同。

这些自由YN势还存在不少问题:如有太多的可调参数、病态的σ介子、短程作用的处理、某些二体散射数据顽固偏差等。

近年来对这两种模型都做了一些改进[6,7],可以较好地拟合散射实验的结果。

其中Nijmegen模型主要做了四点改进,主要是考虑了更多的交换介子以及交换介子对,具体参见文献[6];J ulich模型主要通过考虑ππ、KK交换来代替原σ介子的贡献,这样在σ介子问题上有了一些改善[7]。

这两种新的YN势模型依然还有不少需要进一步处理的问题,比如某些可调参数的确定等。

此外,这些新的改进对微观有效YN势以及对超核性质的影响,尚有待深入研究。

3　K核问题带奇异性的K介子若能被束缚在一个多核子体系中就会形成K核。

Tadaf umi K ishimoto等人首次预言可能形成K核束缚态[8],引起了实验家和理论家极大的研究兴趣。

近年来有多次实验探索并报导发现存在K束缚态信号[9],但当前对这种实验信号能否解释为K束缚态还有激烈争论[10～13]。

同时由于各种理论模型得到的K2核光学势也很不一致(从比较深的150～200MeV[14,15]到比较浅的50～60MeV[16,17]),因此理论上对能否形成K核束缚态也有争议。

我们采用相对论平均场模型对K核进行了相关研究[18],发现K核的束缚能在100 MeV左右,对于较大的核有更高的能级,最深的两能级间隔在30～40MeV左右。

K介子的存在对核的影响是明显的,它能够使核收缩,使在K介子周47物　理　学　进　展第28卷　围的核密度变大。

我们的结果不支持在较大核中心出现高密度核物质[19]的结果,而在少核子系统中有可能存在大于2倍饱和核密度的核物质。

4　Σ超子2核势问题关于Σ超子与核子(ΣN)相互作用以及Σ超核的研究历史虽然并不比Λ超核短多少,但进展却缓慢而反复。

起初,人们认识到,如果Σ超核存在,其内部会发生很强的ΣN→ΛN转换过程,使得Σ超核态宽度大而难于观测。

1980年,Saclay-Heideberg 合作组首先宣布观测到窄宽度的Σ超核态[20],从而激起Σ超核实验和理论研究的热潮。

直到1995年,对Σ超核的存在提出质疑[21],随后几年利用(K-,π±)反应研究另一些轻Σ超核的实验也给出否定结果[22]。

在1999年关于奇异性核物理的一次国际会议(SN P’99)上,布鲁克海文国家实验室实验部主任Chrien R E指出,20多年来窄能级宽度的Σ超核态的存在与否一直是实验和理论研究关注的课题,看来几乎所有的Σ窄态证据可能都是错误的。