近日，美国物理学会《物理评论快报》【Physical Review Letters 125, 222301 (2020)】刊发了上海交通大学物理与天文学院陈列文课题组与合作者题为“Probing the Neutron Skin with Ultrarelativistic Isobaric Collisions”的文章。该工作首次提出使用极端相对论重离子碰撞来确定原子核的中子皮厚度，进而约束核物质的对称能。
原子核是物质结构的一个重要层次，由中子和质子构成。原子核内中子和质子的密度分布是核物理中的一个基本问题。对于比较重的原子核，中子数一般多于质子数，原子核内中子密度分布比质子密度分布更为延展，从而导致中子皮结构的出现。中子皮的厚度定义为中子与质子密度分布的均方根半径之差。实验上，原子核内质子密度分布可以通过电磁相互作用过程进行精确测量，而中子由于不带电，其密度分布的精确测量一直是核物理中的一个难题。
原子核的中子皮厚度与核物质的对称能密切相关。中子皮厚度的实验数据可以用来约束核物质对称能的密度依赖行为，后者目前具有很大的不确定性。核物质是指由中子和质子组成的无穷大均匀物质体系，其状态方程是核物理和天体物理中的一个基本问题。核物质对称能表征了由于中子和质子比份不同而引起的核物质状态方程的变化，对于理解原子核的存在极限、丰中子核引起的核反应、超新星爆发机制、中子星的结构以及中子星并合引发的引力波等具有重要意义。
图1 原子核96Ru和 96Zr的中子和质子的径向密度分布。
图2 96Ru+96Ru和96Zr+96Zr中心碰撞带电粒子多重数相对差与中子皮厚度的关系。
该项工作发现利用同质异荷(isobaric)原子核引起的极端相对论重离子碰撞(96Ru+96Ru以及96Zr+96Zr)带电粒子产生多重数分布，可以高精度提取中子皮厚度，进而对核物质对称能进行约束。目前，位于美国纽约长岛布鲁克海文国家实验室(BNL)的相对论重离子对撞机(RHIC)已完成96Ru+96Ru和96Zr+96Zr在核子-核子质心系能量为200GeV的对撞实验，实验数据正在分析中，有望高精确提取原子核中子皮厚度，进而对核物质对称能给出新的更加严格的约束。
该项工作的论文第一作者是武汉科技大学李汉林博士，通讯作者为湖州师范学院徐浩洁博士、陈列文教授以及普渡大学王福强教授。我院博士生周颖、湖州师范学院王小保副教授以及普渡大学赵杰博士参与了该项工作。该研究得到了中国国家自然科学基金以及科技部973项目等的支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.222301
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