致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程...

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致密物质状态方程与中子星结构 陈列文 (上海交通大学 物理与天文学院,粒子与核物理研究所-INPAC) 联系方式 办公地点: 闵行校区理科楼5号楼623Email: [email protected] Homepage: http://inpac.physics.sjtu.edu.cn Tel: 54744026 (o) The 1 st TDLI Summer School in Particle Physics SJTU, 2020.7.11

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Page 1: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

致密物质状态方程与中子星结构

陈列文

(上海交通大学物理与天文学院,粒子与核物理研究所-INPAC)

联系方式

办公地点: 闵行校区理科楼5号楼623室Email: [email protected]

Homepage: http://inpac.physics.sjtu.edu.cn

Tel: 54744026 (o)

The 1st TDLI Summer School in Particle Physics

SJTU, 2020.7.11

Page 2: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

目录

原子核 – 物质的结构层次 中子星 – 恒星的演化 对称能 – 核物质的状态方程 引力波 – 中子星并合与致密物质状态方程 总结和展望

Page 3: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

物质的结构——现代的观点

p. 1

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原子核由质子和中子组成

核素: 给定中子数和质子数的原子核

元素: 给定质子数的原子核

同位素: 相同质子数但不同中子数的原子核

重离子:质量数大于4的离子,亦即比α粒子(4He)重的离子

同位旋:就核力的性质而言,质子与中子之间

没有明显区别,因此把质子和中子看成同一种

粒子(统称为核子)的两种不同状态,类比自旋的

概念引入抽象的同位旋(isospin)空间,质子和

中子是同位旋I相同,同位旋第3分量I3不同的两种状态,由

此可确定它们的同位旋I = 1/2,质子的 I3 =1/2 ,中子的

I3=-1/2,它们组成同位旋二重态… (海森堡,1932年)。对于

强相互作用,同位旋是一个好量子数。

C126

Mass number

Charge number

H H H1 1 1321

原子核的组成

p. 2

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Protons: “stable” Neutrons: mean life time 14.8 min

Neutron-richer nuclei → Less Neutron-richer nuclei

Proton-richer nuclei → Less proton-richer nuclei

……

( )en p e

( decay)

( decay)

核素示意图

幻数(Magic Number)

~270

~3000

~4000

p. 3

Page 6: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

Rui Wang(王睿) and LWC, PRC92, 031303(R) (2015)

核素示意图

p. 4

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http://www.webelements.com/

111 112 113 114 115 116 117 118

118:PRC 74, 044602 (2006)

117:PRL 104, 142502 (2010)

元素周期表

尤里·奥加涅相Юрий Оганесян

Yuri Oganessian

p. 5

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113,115,117,118号元素命名

2010: Copernicium and symbol Cn, for the element 112 (GSI,

Me’morialize - Nicolaus Copernicus (1473~1543))

2012: Flerovium and symbol Fl, for the element 114 (JINR

Me’morialize Georgiy N. Flerov (1913~1990))

2012: Livermorium and symbol Lv, for the element 116 (LLNL)

2003: Darmstadtium and symbol Ds, for the element 110 (GSI,)

2004: Roentgenium and symbol Rg, for the element 111 (GSI)

Me’morialize Röntgen

IUPAC - International Union of

Pure and Applied Chemistry

p. 6

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“据说在日本,连收银员都知道113号元素叫Nihonium (Nh)”

113,115,117,118号元素命名

p. 7

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1945.8.6(广岛)1945.8.9(长崎)

原子核的质量和结合能

Atomic Bomb 重核的裂变H-Bomb

Power of Sun轻核的裂变

p. 8

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重核的裂变

中国:2016:~2%

2020:~7%

2030:~15%

2050:~22%

p. 9

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Contemporary picture –APS DNP Nuclear Wall Chart:

http://www.lbl.gov/abc/wallchart/index.html

1510 m

____

原子核的大小及密度分布

14 3 3

0 2.7 10 g/cm , 1 g/cm 水的密度:

5.8 fm ( 100)R A

原子核内的物质是极端致密的!p. 10

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重离子碰撞

高温高密物质——“小爆炸”!

三维QCD相图

Holy Grail of Nuclear Physics

重离子碰撞能在地球上产生极端高温高密物质!

p. 11

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目录

原子核 – 物质的结构层次 中子星 – 恒星的演化 对称能 – 核物质的状态方程 引力波 – 中子星并合与致密物质状态方程 总结和展望

Page 15: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

1967: A. Hewish, S. J. Bell,

J. D. H. Pilkington, P. F.

Scott, and R. A. Collins,

‘‘Observation of a rapidly

pulsating radio source’’,

Nature (London) 217, 709–

713 (1968)

脉冲星

恒星

分子云

夸克

黑洞?

中子

中子星? 夸克星?

红超巨星超新星爆发

红巨星

白矮星

黑矮星(e.g., Sun)

> 8Msun

恒星的演化

1932: Lev

Landau

Neutron

Stars

1934: Fritz

Zwicky and

Walter Baade

– NS might be

formed in

supernova

explosions

p. 12

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• The predicted rate of supernova explosions is about 1 to 3 per century in our galaxy

• The most studied early supernova (Crab) explosion was recorded in China in 1054 A.D.

• The most recent one was 1987A in LMC, however, no associated neutron star has been detected yet.

• Over 1200 neutron stars have been identified, while about 108 are predicted to exist. Only about

10 of them can be associated with the approximately 220 known supernova remnants

The lighthouse model of pulsars (rotating neutron stars)

Antony Hewish: won The Nobel Prize for Physics in 1974

脉冲星

p. 13

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> 8Msun

>1.4Msun

>>Msun

“中国超新星”-蟹状星云的前身

1054年北宋仁宗“至和元年”,《宋史》记载:“至和元年五月己丑,出天关东南可数寸,岁余稍没。”

综合各种史料记载,这颗超新星爆发于1054年7月4日凌晨4点左右,最后消逝的日期是1056年4月6日,共可见643天。位置在金牛座ζ星(天关星)附近,在这个位置上,用望远镜就可以看到有一片蟹状星云M1。直到1969年,现代天文学通过光学、X射线及射电等多方面研究,最终确定蟹状星云的中心有一颗中子星,同时也无可置疑地表明它正是我国宋代人亲眼见到的那颗天关客星的遗迹,也是第一颗由现代天文观测所认证的古人曾有记载的超新星遗迹,更是我国古代天象观测在当代天文学研究中发挥独特作用的光辉范例。正因为此,1054超新星才被国际天文界称为“中国超新星”。需要说明的是,即便宋朝人看到的天关客星爆发也不是那颗恒星当时正在发生的事情,而是很久之前的历史事件,因为光信号从现场传到地球人这里需要很长时间,蟹状星云距离地球是6300光年,这也就是说,1054超新星真正爆发的年代距离宋人已经是6300年前,距今更是7200多年之前的事件了。

p. 14

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14 3

NS

Neutron stars:

mass 1.4 M ,

radius 10 km,

compactness M/R

0.14 (M /km)

6.7 10 g/cm

30

5

-6

3

Sun:

M 2 10 kg,

R 7 10 km

Compactness M/R

1.4 10 (M /km)

1.4 g/cm

24

E

3

E

-10

3

E

Earth:

M 6 10 kg,

R 6.4 10 km

Compactness M/R

5 10 (M /km)

5.5 g/cm

Lattimer/Prakash, Science 304, 536 (2004)

208

25

18

-38

14 3

Pb

Pb:

mass 3 10 kg,

radius 7 10 km

Compactness M/R

2 10 (M /km)

2.1 10 g/cm

原子核内的物质是极端致密的!中子星内部的密度更加致密!

中子星

p. 15

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中子星物质

中子星内部的密度可以达到甚至超过5-6倍正常核物质密度(正常核物质密度和重原子核中心的密度相当,大约是水的密度的一百万亿倍)。乒乓球大小的中子星物质的质量大概与地球上一座高山的质量相当。中子星的内部通常由电中性的处于beta平衡(弱相互作用平衡)的均匀的致密核物质组成,

其主要成分为中子,另外含有少量的质子和轻子等。

“如意金箍棒,一万三千五百斤”

如意金箍棒变成绣花针后其密度约为13500x0.5 kg/1mm3

=6.75x109 g/cm3

中子星物质的密度约为6.7x1014 g/cm3

p. 16

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电磁 弱

引力

中子星-致密强相互作用物质(核物质)天然场所

06致密星内部密度:

> 8Msun

中子星

p. 17

Page 21: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

目录

原子核 – 物质的结构层次 中子星 – 恒星的演化 对称能 – 核物质的状态方程 引力波 – 中子星并合与致密物质状态方程 总结和展望

Page 22: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

原子核的结合能 - 液滴模型(Liquid-drop model:Bethe-Weizsäcker mass formula-1935)

有限核的对称能

Symmetry energy term

(对称能项)

W. D. Myers, W.J. Swiatecki, P. Danielewicz, P. Van Isacker, A. E. L. Dieperink,……

Symmetry energy including surface diffusion effects (ys=Sv/Ss)

p. 18

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有限核的对称能

质子 中子

16O 16N

泡利不相容原理

N > ZN = Z

对称能:使中子数和质子数

趋于对称

库仑能:使中子数和质子数

偏离对称

2

4 ( ) /a N Z A

p. 19

Page 24: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

EOS of Isospin Asymmetric Nuclear Matter

s

2 4

ym ( )( , ) ( ), ( ),0) /( n pE OE E

(Parabolic law)

Nuclear Matter Symmetry Energy

2

sym 2

1 ( , )( )

2

EE

核物质的状态方程及对称能

Symmetry energy term (poorly known)Symmetric Nuclear Matter

(relatively well-determined)

Isospin asymmetry

Nature of the nuclear force?

Structure and stabilityof nuclei?

Dynamics of heavy ion collisions?

Nature of compact stars and dense nuclear matter?

LWC, EPJ Web of Conf. 88, 00017 (2015)

-3

0 0.16 fm饱和密度:

p. 20

Page 25: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

The multifaceted influence of the nuclear symmetry energy

A.W. Steiner, M. Prakash, J.M. Lattimer and P.J. Ellis, Phys. Rep. 411, 325 (2005).

The symmetry energy is also related to some issues of fundamental physics:1. The precision tests of the SM through atomic parity violation observables (Sil et al., PRC2005)

2. Possible time variation of the gravitational constant (Jofre et al. PRL2006; Krastev/Li, PRC2007)

3. Non-Newtonian gravity proposed in the grand unified theories (Wen/Li/Chen, PRL2009)

4. Dark Matter (Zheng/Zhang/Chen, JCAP2014; Zheng/Sun/Chen, ApJ2015)

为什么研究对称能?

p. 21

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为什么研究对称能?

Symmetry

Energy

Physics at km scale

(~10 km)

Physics at fm scale

(~10 fm)

Nuclear Physics

on the EarthAstrophysics and Cosmology

in Heaven

Size different by

18 orders !!!

p. 22

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确定对称能已成为一些核物理大科学装置的重要物理目标,比如:中国兰州CSR/惠州HIAF、日本RIBF/RIKEN、美国FRIB/MSU和德国FAIR/GSI

对称能是回答两个以下重大科学问题的关键量 中子星和致密核物质的性质是什么?

宇宙中的元素是怎样产生的?

+

质子

中子

=

已经比较清楚

对称核物质状态方程 核物质状态方程

同位旋相关部分很不确定

非对称核物质状态方程

很不确定

对称能

( , )E ( ,0)E 2

sym ( )E

n p

n p

n p

对称能:使中子和质子趋向于对称

《美国核科学前沿长期规划》

为什么研究对称能?

p. 23

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为什么研究对称能?

本世纪11个最重要的物理问题(美国《发现》2002)

1. What is dark matter

2. What is dark energy

3. How were the heavy elements from iron to uranium made?

从铁到铀等重元素是如何形成的?-高同位旋、高密度

4. Do neutrinos have mass?

5. Where do ultrahigh-energy particles come from?

6. Is a new theory of light and matter needed to explain what happens at very

high energies and temperatures?

7. Are there new states of matter at ultrahigh temperatures and densities?

极端高温、高密条件下会出现新物态吗?-高温、高密度

8. Are protons unstable?

9. What is gravity?

10. Are there extra dimensions?

11. How did the universe begin?

p. 24

Page 29: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

V.E. Fortov, Extreme States of Matter – on Earth and in the Cosmos, Springer-Verlag, 2011

Small baryon chemical potential: Smooth Crossover Transition

Large baryon chemical potential: First-order Phase Transition

QCD Critical Endpoint: where the first-order phase transition ends

Probing QCD phase

diagram in Heavy Ion

Collisions in terrestrial

labsand in NStar-NStar

Collisions (Merger) in

heaven?

QCD相图

Quark Matter Symmetry Energy? M. Di Toro et al., NPA775 (2006); P.C. Chu/LWC, ApJ780 (2014)

p. 25

Page 30: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

核物质状态方程的特征参数

Order of the characteristic parameters according to the expansion with χ and δ:

Order-0: E0(ρ0); Order-2: K0, Esym(ρ0);

Order-3: J0, L; Order-4: I0, Ksym(ρ0), Esym,4(ρ0)

p. 26

Page 31: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

Order of the characteristic parameters according to the expansion with χ and δ:

Order-0: E0(ρ0); Order-2: K0, Esym(ρ0);

Order-3: J0, L; Order-4: I0, Ksym(ρ0), Esym,4(ρ0)

E0(ρ0) = -16±1 MeV

K0 = 230±20 MeV, Esym(ρ0) = 32.5±2.5 MeV

L = 55±25 MeV, J0=???

I0=???, Ksym(ρ0)=???, Esym,4(ρ0) =???

Order-0

Order-2

Order-3

Order-4

核物质状态方程的特征参数

p. 27

Page 32: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

K0=231±5 MeV

Youngblood/Clark/Lui, PRL82, 691 (1999)

Recent results:

K0=240±20 MeV

U. Garg et al.

S. Shlomo et al.

G. Colo et al.

J. Piekarewicz et al.

(1) EOS of symmetric matter around the saturation density ρ0

GMR 0Frequency f K

Giant Monopole Resonance

0

22

0 0 2

Incompressibility:

K =9 ( ) d E

d

Uncertainty of the extracted K0 is mainly due to the uncertainty of

L (slope parameter of the symmetry energy) and m*0 (isoscalar

nucleon effective mass) (See, e.g., LWC/J.Z. Gu, JPG39,035104(2012))

对称核物质的状态方程

U. Garg and G. Colo, Prog. Part. Nucl. Phys. 101, 55(2018)

p. 28

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(2) EOS of symmetric matter for 1ρ0< ρ < 3ρ0 from K+ production in HIC’s

J. Aichelin and C.M. Ko,

PRL55, (1985) 2661

C. Fuchs,

Prog. Part. Nucl. Phys. 56, (2006) 1

Transport calculations

indicate that “results for the

K+ excitation function in Au

+ Au over C + C reactions

as measured by the KaoS

Collaboration strongly

support the scenario

with a soft EOS.”

C. Fuchs et al,

PRL86, (2001) 1974

See also: C. Hartnack, H. Oeschler,

and J. Aichelin,

PRL96, 012302 (2006)

对称核物质的状态方程

p. 29

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(3) Present constraints on the EOS of symmetric nuclear matter for 2ρ0< ρ < 5ρ0

using flow data from BEVALAC, SIS/GSI and AGS

Use constrained mean fields to predict

the EOS for symmetric matter

• Width of pressure domain reflects

uncertainties in comparison and of

assumed momentum dependence.

P. Danielewicz, R. Lacey and W.G. Lynch, Science 298, 1592 (2002)

2Pressure P( )s

E

The highest pressure recorded under

laboratory controlled conditions in

nucleus-nucleus collisions

y

px

High density nuclear matter 2 to 5ρ0

对称核物质的状态方程

p. 30

Page 35: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

Microscopic Many-Body Approaches

Non-relativistic Brueckner-Bethe-Goldstone (BBG) Theory

Relativistic Dirac-Brueckner-Hartree-Fock (DBHF) approach

Self-Consistent Green’s Function (SCGF) Theory

Variational Many-Body (VMB) approach

Green’s Function Monte Carlo Calculation

Vlowk + Renormalization Group

Nuclear Lattice Approach

Effective Field TheoryDensity Functional Theory (DFT)

Chiral Perturbation Theory (ChPT)

QCD-based theory

Phenomenological ApproachesRelativistic mean-field (RMF) theory

Quark Meson Coupling (QMC) Model

Relativistic Hartree-Fock (RHF)

Non-relativistic Hartree-Fock (Skyrme-Hartree-Fock)

Thomas-Fermi (TF) approximations

The nuclear matter EOS cannot be measured experimentally,

its determination thus depends on theoretical approaches

核物质对称能: 多体理论方法

p. 31

Page 36: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

L.W. Chen, Nucl. Phys. Rev. (原子核物理评论) 34, 20 (2017)

[arXiv:1708.04433]

核物质对称能: 多体理论方法

p. 32

Page 37: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

Promising Probes of the Esym(ρ)

(an incomplete list !)

核物质对称能: 实验探针

At sub-saturation densities (亚饱和密度行为)

Sizes of n-skins of unstable nuclei from total reaction cross sections

Proton-nucleus elastic scattering in inverse kinematics

Parity violating electron scattering studies of the n-skin in 208

Pb

n/p ratio of FAST, pre-equilibrium nucleons

Isospin fractionation and isoscaling in nuclear multifragmentation

Isospin diffusion/transport

Neutron-proton differential flow

Neutron-proton correlation functions at low relative momenta

t/3He ratio

Hard photon production

Towards high densities reachable at CSR/Lanzhou, FAIR/GSI, RIKEN,

GANIL and, FRIB/MSU (高密度行为)

π -/π

+ ratio, K

+/K

0 ratio?

Neutron-proton differential transverse flow

n/p ratio at mid-rapidity

Nucleon elliptical flow at high transverse momenta

n/p ratio of squeeze-out emission

Pigmy/Giant resonances

Nucleon optical potential

B.A. Li, L.W. Chen, C.M. Ko

Phys. Rep. 464, 113(2008)

Citation: 930+

p. 33

Page 38: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

放射性束流装置Cooling Storage Ring (CSR) Facility at HIRFL/Lanzhou in China (2008)

up to 500 MeV/A for 238U

http://www.impcas.ac.cn/zhuye/en/htm/247.htm

Beijing Radioactive Ion Facility (BRIF-II) at CIAE in China (2012)

http://www.ciae.ac.cn/

Radioactive Ion Beam Factory (RIBF) at RIKEN in Japan (2007)

http://www.riken.jp/engn/index.html

Texas A&M Facility for Rare Exotic Beams -T-REX (2013)

http://cyclotron.tamu.edu

Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)/GSI in Germany (2022)

up to 2 GeV/A for 132Sn (NUSTAR - NUclearSTructure, Astrophysics and Reactions )

http://www.gsi.de/fair/index_e.html

SPIRAL2/GANIL in France (2013)

http://pro.ganil-spiral2.eu/spiral2

Selective Production of Exotic Species (SPES)/INFN in Italy (2015)

http://web.infn.it/spes

Facility for Rare Isotope Beams (FRIB)/MSU in USA (2022)

up to 400(200) MeV/A for 132Sn

http://www.frib.msu.edu/

The Korean Rare Isotope Accelerator(KoRIA-RAON(RISP Accelerator Complex) (Planning)

up to 250 MeV/A for 132Sn, up to 109 pps

…… p. 34

Page 39: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

Current constraints (An incomplete list) on Esym (ρ0) and L from

terrestrial experiments and astrophysical observations

核物质对称能:饱和密度附近

W.G. Newton et al., Journal of Physics: Conf. Series 420 (2013) 012145

Chen/Ko/Li, PRL94,032701 (2005) (isospin diffusion in HIC’s, Citation: 423+)

“misc”: miscellaneous饱和密度处对称能的斜率

p. 35

Page 40: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

Current constraints (An incomplete list) on Esym (ρ0) and L from

terrestrial experiments and astrophysical observations

L.W. Chen, Nucl. Phys. Rev. (原子核物理评论) 31, 273 (2014) [arXiv:1212.0284]

B.A. Li, L.W. Chen, F.J. Fattoyev, W.G. Newton, and C. Xu, arXiv:1212.1178

Esym(ρ0) = 32.5±2.5 MeV, L = 55±25 MeV

核物质对称能:饱和密度附近

p. 36

Page 41: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

J.M. Lattimer and A.W. Steiner,

EPJA50, (2014) 40

Jim Lattimer and Andrew Steiner using 6 out of approximately 30 available constraints

The centroid is around

Sv=31 MeV and L=50 MeV

饱和密度处对称能的斜率

饱和密度处对称能的大小

核物质对称能:饱和密度附近

p. 37

Page 42: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

Wada and Kowalski: experimental results of the symmetry energies at densities below 0.2𝝆𝟎 and

temperatures in the range 3 ~11 MeV from the analysis of cluster formation in heavy ion collisions.

Wada et al., Phys. Rev. C85, (2012) 064618; Kowlski et al., Phys. Rev. C75, (2007) 014601.

Natowitz et al., Phys. Rev. Lett. 104, (2010) 202501.

Z. Zhang and LWC, PRC92, 031301(R) (2015) 45 0451/ ( 208 /) ), 3( D sym A AA E

核物质对称能:亚饱和密度行为

p. 38

Page 43: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

pion ratio (FOPI):

IBUU04, Xiao/Li/Chen/Yong/Zhang, PRL102,062502(2009)

ImIBLE, Xie/Su/Zhu/Zhang, PLB718,1510(2013)

pion ratio (FOPI): ImIQMD, Feng/Jin, PLB683, 140(2010)

Softer

Stiffer

Pion Medium Effects?

Threshold effects?

Δ resonances? ……

Xu/Ko/Oh

PRC81, 024910(2010)

Xu/Chen/Ko/Li/Ma

PRC87, 067601(2013)

Hong/Danielewicz,

PRC90, 024605 (2014)

Song/Ko,

PRC91, 014901 (2015)

A Soft or Stiff Esym at supra-saturation densities ???

n/p v2 (FOPI):

Russotto/Trauntmann/Li et al., (UrQMD)

PLB697, 471(2011)

PRC94, 034608 (2016)

核物质对称能:超饱和密度行为

p. 39

Page 44: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

核物质对称能:现状

There are MANY constraints on

Esym (ρ0) and L, essentially all the

constraints seem to agree with:

Esym(ρ0) = 32.5±2.5 MeV

L = 55±25 MeV

The symmetry energy at

subsaturation densities have been

relatively well-constrained

Essentially all the constraints on

the high density Esym come from

HIC’s (FOPI), and all of them are

based on transport models. The

constraints on the high density Esym

are still elusive and controversial for

the moment !!!

Z. Zhang/LWC,

PLB726, 234 (2013);

PRC92, 031301(R)(2015)

Xiao/Li/Chen/Yong/Zhang,

PRL102, 062502 (2009)

Lattimer/Steiner,

EPJA50, 40 (2014)

p. 40

Page 45: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

Chinese@NuSYM15 (Krakow, Poland)

p. 41

Page 46: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

NuSYM16 (Tsinghua, Beijing, China)

p. 42

Page 47: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

NuSYM17 (GANIL, Caen, France)

p. 43

Page 48: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

目录

原子核 – 物质的结构层次 中子星 – 恒星的演化 对称能 – 核物质的状态方程 引力波 – 中子星并合与致密物质状态方程 总结和展望

Page 49: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

引力波

美国华盛顿州汉福德市的激光干涉引力波天文台

Einstein, A (June 1916).

"Näherungsweise Integration

der Feldgleichungen der

Gravitation". Sitzungsberichte

der Königlich Preussischen

Akademie der Wissenschaften

Berlin. part 1: 688–696

GW150914

(双黑洞并合)

p. 44

Page 50: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

多信使时代: 引力波事件GW170817

On August 17, 2017, the merger of two neutron stars was observed with

gravitational waves (GW) by the LIGO and Virgo detectors.

The Fermi and Integral spacecrafts independently detected a short gamma

ray burst.

Extensive follow up observations detected this event at X-ray, ultra-violet,

visible, infrared, and radio wavelengths.

No ultra-high-energy gamma-rays and no neutrino candidates consistent with

the source were found in follow-up searches. These observations support the

hypothesis that GW170817 was produced by the merger of two neutron stars

in NGC 4993 followed by a short gamma-ray burst (GRB 170817A) and a

kilonova/macronova powered by the radioactive decay of r-process nuclei

synthesized in the ejecta

Citations > 3384

arXiv:1710.05832

GW170817

(双中子星并合)

p. 45

Page 51: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

Tidal Deformability (Polarizability)(oscillation response coefficient λ )

ij ijQ

Qij: Quadrupole moment

εij: Tidal field of companion

Éanna É. Flanagan and Tanja Hinderer, Phys.Rev.D 77, 021502(R) (2008)

F.J. Fattoyev, J. Carvajal, W.G. Newton, and Bao-An Li, Phys. Rev. C 87, 015806 (2013)

5

2

2=

3k R

中子星的潮汐极化率Λ

5

2

Dimensionless Tidal Def

2

orma

= ( / )3

bility

k R M

k2: Love number

R: Radius

M: Mass

p. 46

Page 52: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

双中子星并合与Λ

LIGO is sensitive to increase in orbital

frequency as system loses energy to both

gravitational waves and internal excitation

of neutron stars. GW170817 data place

limits on polarizability (deformability) Λ

of NS and hence limits on NS radius.

Two inspiralling neutron stars

Merging neutron stars

Single mass

Inspiral Chirp signal

Tidal deformation

NS oscillation/BH formation

p. 47

Page 53: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

双中子星并合与Λ

Two inspiralling neutron stars

Merging neutron stars

Single mass

Inspiral Chirp signal

Tidal deformation

NS oscillation/BH formation

中子星并合过程中重子数密度能到达~10ρ0 而温度能达到 ~50 MeV,但具有

非常高的同位旋! Refs: Elias R. Most et al., PRL122, 061101 (2019),Andreas Bauswein et al., PRL122, 061102 (2019)

对称能的高密行为在中子星并合过程中扮演了非常重要的角色!

p. 48

Page 54: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

5 2

2

3 2

12

311 2 1 6 3 5 8

20 2

126 22 3 2 1

4

3 1 2 1 ln 1

s s s s sR R R R

s s sR R R

s s sR R

R R R R Rk y y y y

R R R R R

R R Ry y y

R R R

R R Ry y

R R R

+EOS

2 2

3

2

1[ ( , ) ( , )]

( )( 4 )

( 2 )

4

dyy yF p r Q p

dr r

dp p m r p

dr r r m

dmr

dr

( )R

M

R

y y R

5

2

2=

3k R

中子星的潮汐极化率Λ

p. 49

Page 55: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

Core of the neutron stars consist of infinite β-equilibrium

npeμ matter with charge neutrality. Its EoS is determined

by the extended Skyrme-Hartree-Fock(eSHF)

The inner crust

The outer crust

4 3

out2.46 10 fm tn n n

4/3 P a b

4/3 4/3

out t t out

4/3 4/3

t out

P Pa

t out

4/3 4/3

t out

P Pb

13 3

out6.93 10 fm n n

15 3 13 34.73 10 fm 6.93 10 fm n

(EOS of BPS)

(EOS of Feynman-Metropolis-Teller)

Core-Crust edge

nt is determined self-consistently

by using dynamical method(Xu/LWC/Li/Ma, ApJ697,1549(2009))

中子星物质的状态方程

p. 50

Page 56: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

13 macroscopic nuclear properties:

The extended SHF Energy Density Functional

Extended Skyrme Interaction:

13 Skyrme parameters:LWC/Ko/Li/Xu, PRC82, 024321(2010) Momentum-dependence of many-body forces

Z. Zhang/LWC, PRC94, 064326 (2016)

N. Chamel, S.

Goriely, and

J.M. Pearson,

PRC80,

065804 (2009)

p. 51

Page 57: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

Why extended SHF EDF?

The eSHF provides a nice approach that can describe simultaneously nuclear matter, finite

nuclei, and neutron stars!

The eSHF EDF is very flexible to mimic various density behaviors for EOS (13 parameters)

p. 52

Page 58: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

Extended Skyrme forces with fixed J0&Ksym

Our Strategy: Higher-order J0 and Ksym are fixed at

various values

Esym(ρc) and L(ρc) at ρc =0.11 fm-3 are

fixed at Esym(ρc)=26.65 MeV and

L(ρc)=47.3+/-7.8 MeV using heavy

isotope binding energy difference and αD

of 208Pb (Z. Zhang/LWC, PLB726, 234(2013);

PRC90, 064317(2014))

Other 9 lower-order parameters and W0

are calibrated to fit data of finite nuclei

Causality

(exp2

1

)2

(th)

(( )

) n

nn

nN

PP

Minimizing the Chi-square χ2(p) :

p. 53

Page 59: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

天文学观测:大质量中子星和Λ

Observed heaviest Nstar (before 2019):

GW170817 (LIGO/Virgo):

70< Λ1.4 < 580

arXiv:1805.11581

p. 54

Page 60: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

J0: Flow data in HIC’s

For various J0 and

Ksym:[-200, 60] MeV

-550 MeV ~ < J0 < -342 MeV: Flow Data in HIC’s

Pressure of SNM is

very sensitive to J0

but essentially

independent of Ksym

Y. Zhou/LWC/Z. Zhang, PRD99, 121301(R) (2019) [arXiv:1901.11364]

Esym(ρc)= 26.65 MeV

L(ρc)= 47.3 MeV

p. 55

Page 61: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

J0 and Ksym: Flow data, NStar Mass, Λ

Flow Data in HIC+Mmax+ Λ1.4 :

-464 MeV < J0 < -342 MeV:

-175 MeV < Ksym < -36 MeV:

J0 = -342 MeV

J0 = -464 MeV

Ksym < - 36 MeV

Λ1.4 < 580

Λ1.4 > 261

Flow Data in HIC +Mmax:

Ksym > -175 MeV, Λ1.4 >261

GW170817 (LIGO/Virgo)

Consistent with EM counterpart of

GW170817, see, e.g., D. Radice et al., ApJL852, L29(2018);

M.W. Coughlin et al., MNRAS 480,

3871(2018)Ksym affects strongly Mmax

for Ksym< - 100 MeV

Y. Zhou/LWC/Z. Zhang, PRD99, 121301(R) (2019) [arXiv:1901.11364]

p. 56

Page 62: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

5

2

2= ( / )

3 k R M

R1.4 : 11.8-13.1 km !

R1.4: Flow data, Nstar Mass, Λ

Y. Zhou/LWC/Z. Zhang, PRD99, 121301(R) (2019) [arXiv:1901.11364]

p. 57

Page 63: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

EOS: Flow data, NStar Mass, Λ

L(ρc)=47.3+/-7.8 MeV

using αD of 208Pb (Z.

Zhang, LWC, PRC90,

064317(2014) )

L(ρc)=47.3 MeV:

J0:[-464,-342] MeV,

Ksym:[-175,-36] MeV

Esym(2ρ0):[39.4, 54.5] MeV

L(ρc)=39.5 MeV:

J0:[-475,-342] MeV,

Ksym:[-203,-34] MeV

Esym(2ρ0):[33.0, 51.3] MeV

L(ρc)=55.1 MeV:

J0:[-455,-342] MeV,

Ksym:[-138,-38] MeV

Esym(2ρ0):[46.9, 57.6] MeV

L(ρc) indeed affects

the extraction of Esym

at high densitities but

does not change much

the Nstar matter EOS!

Y. Zhou/LWC/Z. Zhang, PRD99, 121301(R) (2019) [arXiv:1901.11364]

p. 58

Page 64: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

中子星最大质量

p. 59

Page 65: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

中子星最大质量

Y. Zhou, L.W. Chen*, ApJ886, 52(2019)

[arXiv:1907.12284]

p. 60

Page 66: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

2.14倍太阳质量中子星排除“超软”高密对称能

“超软”高密对称能的排除意味着中子星内部不存在纯中子物质!

Y. Zhou, L.W. Chen*, ApJ886, 52(2019)

[arXiv:1907.12284]

p. 61

Page 67: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

2.6倍太阳质量的致密目标被发现!夸克星???(Zheng Cao(曹政), LWC*, P.C. Chu, Y. Zhou,

in preparation)

中国天眼FAST有望发现更多脉冲星!

GW190814: 超重中子星???

p. 62

Page 68: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

目录

原子核 – 物质的结构层次 中子星 – 恒星的演化 对称能 – 核物质的状态方程 引力波 – 中子星并合与致密物质状态方程 总结和展望

Page 69: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

总结和展望

通过重离子碰撞,原子核结构性质(mass, neutron skin, GR/PG…),

以及核子光学势的研究,我们已经对亚饱和密度以及饱和密度附近核物质对称能有了比较好的认识:

亚饱和密度区的核物质对称能– 比较精确 饱和密度附近的核物质对称能:

Esym(ρ0) =32.5±2.5 MeV and L=55±25 MeV

更精确的约束需要更精确的实验数据和更可靠的理论方法!

GW170817给出了对称能高密行为的上限,2.14倍太阳质量的存在排除了“超软”的高密对称能,意味着中子星内部不存在纯中子物质

决定核物质对称能的高密行为依然是一个巨大的挑战 (Quark Phase,

Many-Body forces, Short range tensor forces, Short range NN

correlations, Model cross check, more data,……),丰中子核引起的高能重离子碰撞的实验数据以及中子星观测数据将变得非常重要!

p. 63

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Acknowledgements

Collaborators:Bao-Jun Cai (Shadow Creator Inc., Shanghai)

Peng-Cheng Chu (QTU, Qingdao)

Wei-Zhou Jiang (SEU. Nanjing)

Che Ming Ko, Kai-Jia Sun (TAMU. Texas)

Bao-An Li (TAMU-Commerce, Texas)

Xiao-Hua Li (USC, Hengyang)

Rui Wang (SINAP, CAS and Fudan U, Shanghai)

De-Hua Wen (SCUT, Guanzhou)

Zhi-Gang Xiao (Tsinghua, Beijing)

Chang Xu (NJU, Nanjing)

Jun Xu (SINAP, CAS, Shanghai)

Zhangbu Xu (BNL)

Gao-Chan Yong (IMP, Lanzhou)

Zhen Zhang (SYSU, Zhuhai)

Ying Zhou, Jie Pu, Fan Li, Xu-Run Huang, Si-Pei Wang, Zhen Cao (SJTU, Shanghai)

Funding:National Natural Science Foundation of China

Major State Basic Research Development Program (973 Program) in China

Shanghai Rising-Stars Program, Shanghai “Shu-Guang” Project , Shanghai “Eastern Scholar”

Science and Technology Commission of Shanghai Municipality

p. 64

Page 71: 致密物质状态方程与中子星结构 · 对称核物质 状态方程 核物质状态方程 同位旋相关部分 很不确定 非对称核物 质状态方程 很不确定 对称能

谢 谢!Thanks!