短寿命原子核质量精确测量揭示中子星性质

据报道,近期,中国科学院近代物理研究所原子核质量测量团队与合作者基于兰州重离子加速器冷却储存环,利用国际首创的新型质谱术,精确测量了一批关键原子核的质量,研究了中子星表面的X射线暴,从新的角度约束了中子星的性质。相关结果于2023年5月1日发表在《自然-物理》(Nature Physics)上。中子星是人类已知的最致密的星体之一。X射线暴发生在中子星与伴星(通常是一颗红巨星)组成的双星系统中,是目前已知的最频繁的天体热核爆发过程,也是太空望远镜所能观察到的最亮的天文现象之一。

径向基函数方法在原子核质量预言中的应用

结合径向基函数方法,我们将常用的几种原子核质量模型的精度提高了约10%～40%。留一交叉验证与AME03-11测试表明径向基函数方法是一种非常强大并且实用的工具。考虑径向基函数修正后,原子核质量模型能够更好地描述实验新测量原子核质量的数据。这一工作对于核天体物理、超重核合成及原子核对称能等方面的研究具有很高的应用价值。

原子核质量模型的检验

基于AME2016发布的基态原子核质量数据,分别从模型的精度及实验预言的中子新幻数两方面系统比较分析了八个普适核质量模型的可靠性及预言能力.分区系统的计算了八个核质量模型预言的核质量均方根偏差,分析发现对现有实验数据精确度较好的是Bhagwat和WS4两个模型.通过分析中子壳能隙随中子数的变化趋势发现KTUY,WS3和WS4三个模型可以较好地再现中子新幻数N=32引起的突变行为,预言了在Cl和Ar同位素链中N=32极有可能是新的幻数.通过分析超重区域α衰变能随中子数的变化趋势发现FRDM12,WS3和WS4三个模型均可以较好地再现N=152,162的子壳现象,且预言了对于质子数Z=108—114同位素链在N=184处原子核的寿命相对较长.

原子核质量及相关物理量的系统研究

原子核质量(或结合能)和电荷半径是原子核的基本物理量,在原子核物理和核天体物理等领域具有重要意义。本工作主要讨论原子核质量及其相关物理量(如中子-质子相互作用、对能、分离能、α衰变能和库仑能等)、原子核电荷半径等的系统规律。这些系统规律不仅是高精度外推预言未知原子核质量和电荷半径等的实用方法,还对原子核对称能和Wigner能系数提供了有效约束,为原子核低激发态集体运动演化的研究提供了简单线索。作为附件(见科学数据银行),给出了基于这些系统规律得到的原子质量剩余(或结合能)和原子核电荷半径等预言结果。

WLW原子核质量模型在γ过程研究中的应用

本工作利用最近提出的WLW宏观-微观原子核质量模型,在经典r过程框架下很好地描述了太阳系r过程核素丰度分布.与常用的FRDM质量模型相比,新计算更好地再现了A≈135和A≈180质量区的太阳系r过程核素丰度,尤其避免了其他相似计算中A=135附近出现的与观测不符的丰度峰问题.分析表明,这种差异可能暗示WLW更为合理地处理了壳结构和对称能.

原子核质量的测量

质量是原子核最基本的性质之一,核质量数据在核物理、核天体物理及核技术应用等多个领域得到广泛应用.原子核质量的测量是核物理一个重要的前沿研究课题.本文简要回顾了核质量测量的发展历史,综述目前国际上的研究现状,并介绍了原子核质量数据表的评估工作.基于兰州重离子加速器大科学装置,我们建立了等时性质谱术,精确测量了一批短寿命原子核的质量.随后介绍了兰州的质量测量工作,讨论了新质量数据对原子核的同位旋对称性和天体X射线暴研究的影响.

原子核质量的高精度测量

原子核的质量直接反映了核内强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用的结果.文章简要阐述了原子核质量测量的意义、现状和主要方法,介绍了基于兰州重离子冷却储存环的原子核质量测量实验,比较了首次得到的63Ge,65As,67Se和71Kr核质量测量值与理论计算结果,探讨了65As质量对天体物理快质子俘获过程的影响,文章最后给出了今后的研究内容.中国科学院近代物理研究所在轻质量丰中子区,系统测量了从Ne到Ca核素的质量,研究了N=20和28幻数随中子数和质子数变化的演化;在丰质子区,精确测量了快质子俘获路径上关键核素的质量,为解释X射线暴等爆发性天体过程提供重要的质量数据;在中重丰中子区,系统地测量丰中子核质量,通过天体网络计算模拟超新星爆发中的快中子俘获过程.

基于HIRFL-CSR的原子核质量测量实验进展

质量是原子核最基本的性质之一,核质量数据被广泛应用于核结构及核天体物理等多个研究领域.短寿命原子核质量的高精度测量是核物理研究的前沿课题.基于兰州重离子加速器装置HIRFL-CSR(cooler storage ring of heavy ion research facility in Lanzhou),我们建设了先进的等时性质谱术,精确测量了一批短寿命原子核的质量,研究了核结构及核天体物理中的前沿科学问题.本文介绍了国际研究现状,回顾了冷却储存实验环(experimental cooler storage ring,CSRe)质量测量发展过程,综述了近期取得的一些代表性成果,并对未来工作进行了展望.

原子核质量的测量和评估

质量是原子核的基本性质之一,在核物理和核天体物理中都有重要的应用。原子核质量测量是目前核物理研究的一个前沿热点课题,国际上各个核物理实验室积极发展新设备和新技术,在短寿命放射性核素测量和超高精度质量测量方面取得了重要进展,本文对此进行了总结评述。在兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)上利用等时性质量谱仪测量了一些原子核的质量,本文对其在测量精度、核态最短寿命等前沿进展做了简要介绍,并介绍了正在发展的双飞行时间质量谱仪。原子质量评估收集所有与原子核质量相关的实验数据,经过评估后推荐出质量值及相应误差。原子质量评估AME2016于2017年3月发表,为科技工作者提供基准数据。

基于形变相对论连续谱Hartree-Bogoliubov理论构建高精度原子核质量表

质量是原子核最基本的物理量之一,是理解核子间相互作用、揭示壳结构演化和确定滴线位置的关键,是研究核反应和核衰变的基本信息,同时也是探索元素起源等问题必需的核物理输入量,对粒子物理与核物理、天体物理和宇宙学等学科至关重要.尽管短寿命原子核质量的测量工作已经取得很大进展,但是在可预见的将来,大部分远离稳定谷的奇特原子核质量仍依赖理论模型预言和计算.本文介绍了原子核质量模型的重要发展历程、相对论密度泛函理论描述原子核现象的成功、基于相对论连续谱Hartree-Bogoliubov理论构建的目前唯一考虑连续谱效应的原子核质量表,以及拟基于形变相对论连续谱Hartree-Bogoliubov理论建立高精度原子核质量表的最新进展和展望.

神经网络方法对原子核质量的改进研究

原子核的质量对核物理的各个方面以及对物理的其他分支,特别是弱相互作用研究和天体物理学来说是非常重要的.但目前而言,所有描述原子核质量的模型都或多或少地具有某些局限性,需要进行修正.而神经网络方法具有强大的学习能力,通过使用神经网络方法,可以对计算原子核质量的公式进行修正,从而得到更加精确的结果.本文的主要目的是描述几种修正原子核质量公式的神经网络方法,并将其对质量公式的改进结果进行比较.

神经网络方法对原子核质量的预言

原子核质量包含丰富的核结构信息,是原子核的基本物理性质之一.本文采用前馈神经网络和贝叶斯神经网络方法研究原子核质量,通过在网络输入层引入与原子核对效应和壳效应相关的两个物理量,在网络输出层考虑现有核模型的质量预言,即学习原子核质量实验值与核模型预言值之差,大幅提高了核模型的质量预言精确度.相比前馈神经网络中常用的优化算法,贝叶斯方法在优化神经网络参数方面具有较大优势,显著改进了神经网络对原子核质量预言中对效应和壳效应的描述.

原子核结合能的协方差分析

以Weizs?cker公式为基础,使用协方差分析的研究方法,重新计算了原子核结合能中的体积项、表面项等5个系数,使原子核的结合能平均误差降至最低。在此基础上,利用Fattoyev给出的协方差方法,给出了各项系数的误差范围、各项系数与原子核结合能之间的关联系数、各项系数之间的关联系数。研究表明,原子核的结合能与对称能、表面能、库仑能有很大关系,而且对称能系数的误差很大,这里隐含着3个重要的物理规律:原子核可能存在四极形变;库仑能的大小可能因为四极形变而改变;可能存在中子皮、质子皮等影响对称能的大小。可以通过该项研究,对比系数间的关联性,合并减少系数的个数;得到结合能与体积项、表面项、对称能之间的密切程度等信息,为得出更为精确的原子核质量提供理论依据。

原子核宏观模型理论计算

用于计算原子核基态质量的宏观模型有多种，本文根据以密度变化的连续介质模型导出的核质量公式计算了核子数从３０到２８０的三百多个核质量，计算结果与已有的实验值符合得比较好。

用质量数之比代替质量之比并没有错

指出《一种错误不能再流传了》一文中用质量数之比代替质量之比并没有错,这样的代替所带来的误差是很微小的,分析计算并举例说明了它的可行性.

基于Weizscker-Skyrme核质量公式研究原子核基态性质

基于一个半经验的原子核宏观-微观质量公式——Weizscker-Skyrme质量公式,研究了原子核的形变、滴线、壳能隙和超重核α衰变能等相关性质,发现该模型能较好地再现实验结果。与此同时,探索了原子核对称能系数对原子核质量公式的影响和超重稳定岛的可能位置。

Weizs?cker-Skyrme核质量公式的理论预言能力研究

本文基于Weizs?cker-Skyrme(WS4)原子核质量公式,系统地分析了WS4核质量公式理论值与AME2016中实验值的偏差。结果表明,WS4核质量公式的计算结果能够很好地再现最新的实验数据,58个新测原子核质量的均方根偏差为0.543 MeV。WS4核质量公式理论计算结果与实验结果在重核区域符合得很好,为新核素以及超重元素的研究提供了参考,还进一步检验了径向基函数方法可以非常有效地提高WS4核质量公式的计算精确度。

动量知识在高中物理解题中的应用

本文主要探讨动量知识在不同物理习题解题中的应用,希望给学生带来启发.1用于解答衰变问题应用动量知识解答原子核衰变类问题应搞清楚衰变前后原子核质量的变化.同时,熟练运用公式,进行动能以及动量之间的转化,而后运用动量守恒定律构建方程,求出相关参数.

Weizscker-Skyrme核质量公式

原子核质量公式的建立和完善对于研究超重核与滴线核结构、低能核反应以及核天体物理非常重要。通过结合原子核宏观-微观方法与微观的Skyrme能量密度泛函建立起来的Weizscker-Skyrme核质量公式具有精度高、参数少及运算量小的特点。本文对该质量公式及其创新点进行简单介绍,并针对如何进一步改进原子核质量公式提出一些建议。

HIRFL-CSR上等时性质量测量进展

基于兰州重离子研究装置冷却储存环(HIRFL-CSR)发展了等时性质谱术(Isochronous mass spectrometry,IMS),高精度测量了一批短寿命原子核的质量并研究了核结构和核天体领域的相关物理问题。本文综述了IMS实验的原理和步骤,重点介绍了目前正在发展的双TOF探测器谱仪。利用双TOF质量谱仪在测量离子回旋周期的同时测量了离子的速度,用来修正实验结果,可以在很宽的动量接收度内实现高质量分辨,并消除离子动量分散带来的系统误差。双TOF等时性质谱术是全新的概念,需要针对性开发相关实验技术。我们建立了基于CSRe的模拟平台,研制了高性能TOF探测器并安装在CSRe直线段,进行了在线束流测试,发展了新的束流光学设置并进行优化,开发了实验数据处理方法并在做进一步优化,并对下一步工作进行了展望。