【科学综述】量子分子动力学的进展及其在重离子碰撞中的应用

REVIEW ARTICLE

Ying-Xun Zhang, Ning Wang, Qing-Feng Li, Li Ou, Jun-Long Tian, Min Liu, Kai Zhao, Xi-Zhen Wu, and Zhu-Xia Li, Front. Phys. 15(5), 54301 (2020), arXiv: 2005.12877 (64 pages)

内容简介

文章回顾了改进的量子分子动力学模型 (ImQMD) 和超相对论量子分子动力学模型（UrQMD）在近20年来的发展和部分应用。作者基于输运理论推导了能量密度泛函框架的量子分子动力学方法，给出了基于已有的Skyrme能量密度泛函（其参数已预先由原子核结构等性质确定）的具体势能密度泛函形式。基于ImQMD模型，对低能重离子碰撞近垒以上能区中重离子熔合、多核子转移等相关的反应机制和现象，中能（中高能）能区重离子碰撞中多重碎裂机制及相关现象（包括有限核体系的液-汽相变、集体流现象、重核反应的三分裂现象等）进行了统一的描述；研究结果指出了多核子转移对产生丰中子、超锕丰中子新核素的巨大优越性，以及多体关联、涨落耗散在多核子转移、多重碎裂（包括三分裂）中的重要作用。基于该模型的计算能很好重现散裂反应（核能、材料研究领域有重要应用）的产物、出射中子、质子的双微分截面的实验数据等，显示其对散裂反应等有重要实际应用价值。基于（ImQMD，UrQMD）模型比较系统地探索和研究了核物质状态方程特别是非对称核物质状态方程中的对称能项，通过对出射中子与质子产额的比例，同位旋扩散、质子和中子集体流、pi介子产生等多个实验观测量的理论和实验结果比较和分析，从理论上给出了0.3~2倍饱和密度以内的对称能以及核物质参数的范围，同时，还对近年来关注的非对称核物质状态方程获取的理论不确定性也进行了讨论。最后，探讨了中低能到中高能重离子碰撞中输运模型在未来的发展方向以及需要关注和解决的问题。预期重离子碰撞输运理论研究的进展必将为未来可靠地描写各种重离子碰撞观测量、研究熔合以及多核子转移机制、约束状态方程以及介质中核子-核子散射截面等提供有力的理论工具。

文章信息

In this review article, we first briefly introduce the transport theory and quantum molecular dynamics model applied in the study of the heavy ion collisions from low to intermediate energies. The developments of improved quantum molecular dynamics model (ImQMD) and ultra-relativistic quantum molecular dynamics model (UrQMD), are reviewed. The reaction mechanism and phenomena related to the fusion, multinucleon transfer, fragmentation, collective flow and particle production are reviewed and discussed within the framework of the two models. The constraints on the isospin asymmetric nuclear equation of state and in-medium nucleon–nucleon cross sections by comparing the heavy ion collision data with transport models calculations in last decades are also discussed, and the uncertainties of these constraints are analyzed as well. Finally, we discuss the future direction of the development of the transport models for improving the understanding of the reaction mechanism, the descriptions of various observables, the constraint on the nuclear equation of state, as well as for the constraint on in-medium nucleon–nucleon cross sections.

Keywords quantum molecular dynamics model, low energy heavy ion collisions, low-intermediate energy heavy ion collisions, fusion, multinucleon transfer reaction, multifragmentation, collective flow, isospin asymmetric equation of state, in-medium nucleon–nucleon cross sections

Contents

1 Introduction

2 Transport theory and the quantum molecular dynamics model

   2.1 Transport theory for N-body system

   2.2 Quantum molecular dynamics approach

   2.3 Improved quantum molecular dynamics model

         2.3.1 Nucleonic mean field

         2.3.2 Collision part

         2.3.3 Pauli blocking

         2.3.4 Initialization

         2.3.5 Cluster recognization

   2.4 Ultra-relativistic quantum molecular dynamics model

3 Study of the phenomena and the mechanism in low-intermediate energy heavy ion reactions

   3.1 Heavy ion fusion reactions

         3.1.1 Dynamical nucleus–nucleus potential

         3.1.2 Neck dynamics

         3.1.3 Fusion cross sections

   3.2 Multi-nucleon transfer reactions

   3.3 Low-intermediate and intermediate-high energy heavy ion collisions

         3.3.1 Fragmentation mechansim

         3.3.2 Fluctuation and chaoticity in liquid–gas phase transition

         3.3.3 Collective flow

   3.4 Spallation reactions

4 Study of in-medium NN cross sections

   4.1 In-medium NN cross sections from microscopic approach

   4.2 In-medium NN cross sections from heavy ion collisions

   4.3 In-medium NN cross sections from spallation reactions

5 Symmetry energy at different densities and temperatures and the constraints

   5.1 Symmetry energy at subsaturation density

         5.1.1 Constraints from n/p ratios and isospin diffusion

         5.1.2 Novel probes of symmetry energy at subsaturation denisty

   5.2 Symmetry energy at suprasaturation density

   5.3 EOS and symmetry energy at finite temperature

   5.4 Uncertainties in symmetry energy constraints

         5.4.1 Uncertainties of the symmetry energy associated parameters

         5.4.2 Influence of effective mass splitting on Ri, Ri(y), and n/p ratios

         5.4.3 Influence of K0, S0, L, m∗ s, and fI on isospin diffusion

6 Discussion and prospect

Acknowledgements

References and notes 

作者简介

张英逊，中国原子能科学研究院研究员、博士生导师。2005年毕业于中国原子能科学研究院，获博士学位。2006-2007年，在美国密西根州立大学/国家超导回旋加速器实验室访问研究。主要从事微观输运理论模型和重离子碰撞的研究，在国内外杂志发表论文70余篇。获胡济民教育科学奖、中核集团科技进步奖二等奖1项，北京市科学技术奖1项、广西科学技术奖二等奖2项。

王宁，广西师范大学教授。主要从事原子核物理研究，包括原子核质量公式、微观动力学输运模型、超重核合成以及重离子熔合-裂变反应等方面的理论研究工作。提出了Weizsaecker-Skyrme核质量模型，其精确度在同类模型中达到国际领先水平。先后在国内外核心期刊发表学术论文70余篇，先后获得德国洪堡科研基金、国家自然科学基金优秀青年基金项目等资助。

李庆峰，湖州师范学院二级岗教授，博导，浙江省特聘教授（钱江高级人才），浙江省151第一层次人才。2002年毕业于中国原子能科学研究院，获博士学位。2002-2004年，中国科学院理论物理研究所博士后。2004-2008年在德国法兰克福高等研究院工作，洪堡学者、青年学者。主要从事微观输运理论模型和重离子碰撞的研究。发表SCI收录文章逾100篇；是胡济民教育和科学奖、浙江省青年五四奖章、湖州人大会“湖颖奖”、湖州十大杰出青年、湖州市统战十大优秀人物等获得者，省、校重点学科、一流学科负责人。曾主持 1项中德科技合作项目、6项国家自然科学基金项目和4项省部级项目。

欧立，广西师范大学教授。广西自然科学基金杰出青年项目获得者、广西高校卓越学者。2007年毕业于中国原子能科学研究院，获理学博士学位。2007年至2009年在北京应用物理与计算数学研究所博士后流动站工作。2010年至2011年在美国Texas A&M University-Commerce做博士后。主要从事中高能重离子反应理论、不对称核物质状态方程研究工作。发表SCI收录学术论文20余篇。获广西科学技术奖二等奖2项、北京科学技术奖三等奖1项、获第十四届广西青年科技奖。主持广西高校高水平创新团队项目1项。

田俊龙，安阳师范学院教授、河南省学术技术带头人、河南省青年骨干教师，省、校重点学科、一流学科负责人。2007年毕业于中国原子能科学研究院，获博士学位。2007-2009年，北京师范大学低能物理研究所博士后。主要研究大质量转移反应产生新核素和重体系的三裂变。主持“射线束技术与材料改性教育部重点实验室开放课题”项目1项。已发表SCI收录文章40余篇。

刘敏，广西师范大学教授。主要从事原子核物理研究，包括原子核质量公式、原子核对称能、能量密度泛函等方面的理论研究工作。

赵凯，中国原子能科学研究院，研究员。2008年毕业于中国原子能科学研究院，获博士学位。主要从事熔合反应、多核子转移反应及其相关的裂变反应等方面的研究。曾获国家自然基金项目2项。已发表及合作发表的SCI收录文章数十篇。

吴锡真，中国原子能科学研究院研究员（退休）。1959-1964年中国科学技术大学，化学系毕业；1964-1968年中国科学院原子能研究所（原子能科学研究院前身）4年制研究生毕业。一直在中国原子能科学研究院工作，直至退休，其中在1982.6-1984.8年作为德国洪堡奖学金获得者，在德国法兰克福大学理论物理研究所, 从事重离子熔合和原子核裂变理论研究，此后并多次访问该所。还多次访问过日本东京大学原子核理论研究所，京都大学基础物理研究所，日本原子力研究所等。主要从事原子核裂变理论，原子核非平衡态输运理论以及大振幅运动宏观和微观理论研究。在国内外杂志发表论文160余篇。曾获得部级科技进步一等奖等奖项。

李祝霞，中国原子能科学研究院研究员。1964年8月浙江大学理论物理专业毕业，后进入中国科学院原子能研究所（现为中国原子能科学研究院）理论研究室工作，任研究员，博士生导师。2006年5月办理退休。1978.12-1981.1第一批国家公派学者赴美国纽约州立大学石溪分校物理系理论物理研究所学习工作。1987.10-1989.6，德国法兰克福大学理论物理研究所，洪堡学者。1983（创刊）-1999 《中国物理快报》编委，2001-1015 中国物理学会吴有训物理奖评奖委员会秘书兼评委。主要从事原子核结构、微观输运理论、重离子碰撞理论研究，发表研究论文200余篇。曾获1997年吴有训物理奖、部级科技进步二等奖和三等奖多项。

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