利用机器学习解决重离子碰撞中的关键问题

本文介绍了当前用于重离子碰撞研究几种代表性的输运理论模型,并以应用它们进行的计算结果为例介绍输运理论对重离子碰撞的研究工作进展。对目前输运理论面对的一些困难以及机器学习在重离子碰撞输运理论中的应用现状进行总结,提出了输运理论中有待机器学习方法解决的几点关键问题：建立Boltzmann方程的基本假设导致丢失核子间关联;Boltzmann方程类型仅考虑两体碰撞而忽略了多体碰撞的特点不符合高密度问题下的实际物理情况;QMD类型对量子效应的考虑不够精确;采用多时间尺度处理从剧烈碰撞阶段到达到局域平衡问题;模型输入相关物理量对应的实验观测数据不足。     

基于机器学习从逐事件重离子碰撞提取物理信息

在重离子碰撞实验和输运模型模拟中均可逐事件获取观测量数据,然而,利用重离子碰撞研究核物质性质时通常只使用观测量对所有事件的平均值。机器学习拥有强大的数据分析和处理能力,可有效利用逐事件观测量数据中包含的丰富信息。本文通过极端相对论量子分子动力学(UrQMD)模型和机器学习算法的结合,为相关问题的研究提供新途径。研究结果显示,机器学习方法可从逐事件的观测量数据中提取关键物理参数的信息。此外,利用机器学习中特征量重要性归因方法,还可找出对提取相关参数最重要的特征量,从而对研究这些问题提供有价值的参考。     

基于机器学习的重离子碰撞中QCD相变的研究

高能重离子碰撞将夸克和胶子从原子核中释放出来,形成一种新的核物质形态,即解禁闭的夸克胶子等离子体（Quark-Gluon Plasma,QGP）。研究普通核物质或强子共振气体到夸克胶子等离子体的相变,需要在超级计算机上数值求解格点量子色动力学（Quantum Chromodynamics,QCD）。但是,格点QCD只能给出零重子化学势以及附近可泰勒展开区域的核物质状态方程,并预测这种条件下QGP到强子共振气体之间的相变为平滑过渡。在不能做泰勒展开的有限重子化学势区域,格点QCD会遭遇著名的符号问题,无法给出有效的核物质状态方程以及QCD相变类型。本文综述了利用机器学习在核物质状态方程、相变分类以及临界点寻找方面的研究。这些研究大致分为两类：第一类在高能重离子碰撞实验数据以及相对论流体力学模拟和分子动力学模拟中,利用核碰撞末态粒子分布来确定核物质状态方程以及相变种类;另一类是利用机器学习直接帮助格点QCD的采样,解决有限密系统中的符号问题。     

中能重离子碰撞中的自旋轨道耦合

核的自旋轨道相互作用对解释原子核的幻数和壳结构十分重要。然而,一直以来,它只在核结构领域被广泛研究,在核反应过程中的效应通常被忽略。本文总结了近期第一次在描述中能重离子碰撞的IBUU(Isospin-dependent Boltzmann-Uehling-Uhlenbeck)输运模型中引入核子的自旋自由度和核自旋轨道相互作用所产生的自旋相关平均场势的研究工作。我们发现,可以利用横向自旋差分流来研究核自旋轨道耦合,中质子的自旋差分流之差可以用来研究自旋轨道耦合的同位旋依赖性,而不同束流能量下高横向动量的自旋差分流则可以用来提取自旋轨道耦合的密度依赖性。中能重离子碰撞在不久的将来有望成为研究核自旋轨道相互作用的另一条有效途径。     

13 重离子碰撞复合体系碎化产生超重核可能性的探讨

本文讨论通过重核碰撞形成的复合体系破裂产生超重核的问题。评述两种主要的理论模型，即早期发展的在碎化理论框架下的量子涨落理论和本课题组尝试发展的微观输运理论模型。概括阐述了微观输运理论研究反应^197Au＋^197Au，^238U＋^238U和^244Pu＋^244Pu等的主要结果。这就是反应中产生的超重碎块的几率与入射能的关系，复合体系和超重碎块的衰变机制以及所形成的超重碎块的结合能和形状的分布。     

利用机器学习方法对几个核物理问题的深入研究

机器学习能够从大量复杂的数据中挖掘其内在的关联,近些年被广泛应用在科学研究中。本文分别评估了两类机器学习算法在修正核质量、重构重离子反应碰撞参数以及提取对称能斜率系数等热点问题上的表现,并讨论了机器学习模型的外推能力和泛化能力。结果表明：机器学习方法在三个核物理问题的研究中均体现出强大的能力。将机器学习方法应用于核物理问题的研究中可以进一步探索新物理,从而更好地推动理论和实验的发展。     

中高能重离子碰撞中奇异粒子产生和超核研究进展

本文概述了中高能重离子碰撞奇异粒子产生动力学机制和超核实验测量和理论研究进展。基于量子分子动力学(Lanzhou Quantum Molecular Dynamics model,LQMD)输运模型,即引入Skyrme能量密度泛函和相对论协变密度泛函描述核子和共振态动力学演化,考虑介子-核子和超子-核子相互作用势和阈能修正效应。以反应系统¹²C+¹²C、⁴⁰Ca+⁴⁰Ca、¹¹²Sn+¹¹²Sn和¹⁹⁷Au+¹⁹⁷Au为例,研究了阈能附近K介子、■介子和超子(Λ、Σ、Ξ)产生机制并分析了核介质效应和高密区域对称能对同位旋粒子比值的影响。基于量子并合方法构造超核并研究了超核形成相空间分布,给出超核形成的质量数、电荷数、动能、快度分布、集体流等信息。引入两体、三体、四体核子碰撞和核结构效应分析了重离子碰撞中预平衡结团发射机制。介绍了考虑同位旋矢量介子ρ和δ耦合相对论协变的量子分子动力学输运模型。     

重离子碰撞的费曼路径积分方法(FPIM)描述

用FPIM写出了内禀态的传播子,通过它将内禀态用内禀初态表示。在内禀态中求相对运动与内禀运动耦合的平均,得到它们的响应关系。由此依次得到相对运动的作用势、薛定谔方程。取方程的形式解ψ=e~(R iφ),便从薛定谔方程得到两个方程。从一个方程得到运动方程,从另一个得到输运方程。又由FPIM得到出射重离子的相对运动波函数,取玻恩展开的第一近似,最后定出了碰撞振幅。     

相对论重离子碰撞中QCD相图的实验研究

量子色动力学（Quantum Chromodynamics,QCD）相图结构和相变临界点是高能物理理论和实验的研究热点。相对论重离子碰撞是探索QCD相图结构、寻找QCD相变临界点的有力工具。美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（Relativistic Heavy Ion Collider,RHIC）是目前世界上进行高能重离子碰撞的大型实验装置之一,其中的STAR(Solenoidal Tracker at RHIC)实验致力于高温高密条件下夸克胶子等离子体（Quark Gluon Plasma,QGP）性质以及QCD相结构的实验研究。本文着重介绍近年来RHIC-STAR能量扫描实验中运用守恒荷高阶矩和轻核产生寻找QCD相变临界点的研究进展,最后将对高重子密度区QCD相结构的未来研究做出展望。     

15 中能区重离子碰撞中的椭圆流与转移能的研究

核物质作为由强相互作用的粒子组成的复杂量子体系，具有十分复杂和丰富的动力学特性，至今仍存在不少问题尚未弄清。而核物质的性质对天体物理中的很多问题，如中子星的形成、演化规律、宇宙起源以及核素的合成等很多问题有非常重要的影响。因此，对于核态方程的研究是目前核物理研究的一个重要的课题之一。     

用量子分子动力学模型研究中能重离子碰撞中的核物质约化粘滞系数

剪切粘滞系数(η)和熵密度(s)的比值,简称约化粘滞系数(η/s),是刻画物质的一个基本输运系数,对研究核物质的液气相变及状态方程具有重要的作用。我们在同位旋依赖的量子分子动力学模型(Isospin dependent quantum molecular dynamics,IQMD)的基础上,用有限温度Thomas-Fermi理论提取中能重离子碰撞过程中的热力学性质。在此基础上分别用Green-Kubo方法及Danielewicz参数化公式来提取粘滞系数,进而得到约化粘滞系数。研究发现,随着温度或碰撞能量的增加约化粘滞系数会出现一个极小值,这与中能重离子碰撞过程中的液气相变相一致。     

重离子碰撞输运理论在超重核合成研究中的进展

超重核合成对于扩展核素版图、探索极限条件下原子核性质、理解核天体物理中的快中子俘获过程都有着重要意义,是核物理学研究的前沿领域。本文对重离子碰撞输运理论的发展现状和进展做了评述,介绍了几种具有代表性的输运模型,并介绍了基于输运理论和实验上合成超重核素的现状和最新研究进展,重点针对重离子熔合反应和多核子转移反应研究情况展开讨论,并对国际上新一代核科学大装置的进展进行了总结,介绍了未来国际上超重核合成的研究计划。     

重离子碰撞中守恒荷涨落与QCD相变的输运模型研究

相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy Ion Collider,RHIC)-STAR(Solenoid Tracker at RHIC)实验测量了(sNN)^1/2=7.7～200 GeV能量下Au+Au碰撞中的净质子(净重子的代表)、净电荷和净K介子(净奇异数的代表)多重数分布的累积量,发现净质子四阶累积量与二阶累积量之比(κσ2)呈现出了非单调的能量依赖性行为。在相对论重离子碰撞实验中只能测到末态粒子的信息。因此,基于多相输运(A Multi-Phase Transport,AMPT)模型对Au+Au碰撞系统中守恒荷(重子数、电荷数和奇异数)的涨落性质进行了研究,发现AMPT模型的结果基本能描述RHIC-STAR实验结果。更重要的是,利用AMPT模型了解了相对论重离子碰撞动力学演化过程中几个关键效应(守恒荷粒子的产生和扩散、强子化、强子再散射和弱衰变)对守恒荷涨落演化及其粒子关联函数的影响。发现正负电荷之间关联可能源于弦熔化机制,重子(质子)关联函数符合重子数守恒期望,奇异数(净K介子)的关联函数源于对产生,这些代表量与守恒荷的对应关系行为上...     

重离子反应中的弹靶相对运动与颈部运动的质量参数

近些年,人们采用宏观模型研究重离子融合反应,特别是强阻尼反应等大振幅集体运动。在宏观模型中,体系的动力学演化过程需要给出3个非常重要的物理量,即体系的位能曲面、质量参数以及粘滞张量。关于质量参数的研究,现在主要有两种模型：推转模型和流体力学模型。     

Isospin splitting of nucleon effective mass and isospin effect in heavy-ion collisions

Two different isospin splittings of nucleon effective mass in nuclear medium as the form of mn〉 mp and mn 〈 mp have been implemented in an isospin and momentum dependent transport model. Their impacts on the isospin emission in heavy-ion collisions is investigated thoroughly. It is found that the yield ratios of energetic neutrons to protons squeezed out during the compression stage of two colliding nuclides are sensitive to the isospin splitting. The elliptic flows of free nucleons are also to be promising observables for extracting the nucleon effective mass splitting. Further experimental measurements are being expected, in particular at the CSR-CEE platform in Lanzhou. Several observables are proposed for constraining the density dependence of symmetry energy, such as the transverse flow difference of neutrons and protons, double ratios ofn/p and π-/π＋, excitation functions of π-/π＋ and K0/K＋.     

利用加速器产生的中低能离子束进行离子原子碰撞研究

通过位置灵敏技术和飞行时间法,利用加速器产生的离子束研究中低能低电荷态Xq++B(X=C,O;q=1,2;B=Ne,Ar)的碰撞反应,分析研究了碰撞过程中的转移电离与单电子俘获。对于确定的电荷态,给出了转移电离与单电子俘获截面比值R随入射离子能量变化的规律与单电子电离随能量的变化规律之间的相互关系,同时通过实验数据分析、理论计算及模型对比给出R的峰位的近似表达式。