Nghiên cứu tính chất vật lý một số mô hình hạt nhân

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ĐINH THANH TÂM NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LÝ MỘT SỐ MƠ HÌNH HẠT NHÂN Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết Vật lý toán Mã số: 62 44 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH TRẦN HỮU PHÁT TS NGUYỄN TUẤN ANH HÀ NỘI 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn khoa học GS.TSKH Trần Hữu Phát TS Nguyễn Tuấn Anh Các kết nghiên cứu nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 30 tháng 11 năm 2011 Tác giả luận án Đinh Thanh Tâm ii LỜI CẢM ƠN Qua luận án này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Thầy hướng dẫn khoa học - GS.TSKH Trần Hữu Phát - người Thầy dành nhiều năm hướng dẫn học tập, nghiên cứu, đưa ý tưởng khoa học định hướng nghiên cứu cho q trình tơi làm nghiên cứu sinh Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy hướng dẫn thứ hai - Tiến sỹ Nguyễn Tuấn Anh, người Thầy dành nhiều năm truyền thụ kiến thức khoa học cho tôi, dạy nghiên cứu Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy Ban Giám hiệu Trường Đại học Tây Bắc đặc biệt Nhà giáo Nhân dân, Phó Giáo sư Tiến sỹ Đặng Quang Việt- Bí thư Đảng ủy, Hiệu trưởng Nhà trường tạo điều kiện thuận lợi cho vừa công tác vừa học tập nghiên cứu Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo sư, tiến sĩ, nhà khoa học, bạn đồng nghiệp trường đại học viện nghiên cứu, cảm ơn thầy cô Bộ môn Vật lý lý thuyết Trường Đại học Sư phạm Hà Nội tạo điều kiện cho tham gia nghiên cứu, hội thảo, hội nghị khoa học, có lời góp ý bổ ích cho tơi q trình tơi nghiên cứu khoa học làm luận án tiến sỹ Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam tạo điều kiện cho dự thi, học tập, nghiên cứu bảo vệ luận án tiến sỹ Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học Kỹ thuật Hạt nhân, Trung tâm Nghiên cứu Tính tốn tạo điều kiện thuận lợi cho tơi có khơng gian đẹp, rộng rãi n tĩnh để tơi học tập, nghiên cứu, hồn thành luận án Xin chân thành cảm ơn người gia đình ln động viên, tạo điều kiện cho tơi cơng tác, học tập, nghiên cứu, hồn thành luận án Tác giả luận án iii Mục lục Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Các khái niệm liên quan vi Danh mục chữ viết tắt vii MỞ ĐẦU 1 MƠ HÌNH CHẤT HẠT NHÂN KHƠNG CHIRAL 10 1.1 Thế nhiệt động 1.2 Các tính chất bão hịa 18 1.3 Phương trình trạng thái 23 1.4 Cấu trúc pha 29 1.5 Sự đóng góp meson delta 39 1.6 Kết luận chương 41 13 MƠ HÌNH CHẤT HẠT NHÂN CHIRAL ĐỐI XỨNG TIỆM CẬN 2.1 43 Thế nhiệt động iv 47 2.2 Các tính chất bão hịa 55 2.3 Phương trình trạng thái 63 2.4 Cấu trúc pha 73 2.5 Sự đóng góp meson delta 78 2.6 Kết luận chương 82 MƠ HÌNH CHẤT HẠT NHÂN CHIRAL ĐỐI XỨNG CHÍNH XÁC 84 3.1 Thế nhiệt động 87 3.2 Các tính chất bão hòa 91 3.3 Phương trình trạng thái 95 3.4 Cấu trúc pha 105 3.4.1 Chuyển pha khí-lỏng mật độ mật độ bão hòa 105 3.4.2 Chuyển pha chiral 108 3.5 Sự đóng góp meson delta 112 3.6 Kết luận chương 116 KẾT LUẬN 116 Các cơng trình thực 118 Tài liệu tham khảo 119 PHỤ LỤC 130 v CÁC KHÁI NIỆM LIÊN QUAN Bất đối xứng isospin (Isospin Asymmetry) Boson hóa (Bosonization) Chất hạt nhân (Nuclear Matter) Cấu trúc pha (Phase Structure) Đối xứng chiral (Chiral Symmetry) Mơ hình Nambu–Jona-Lasinio (NJL Model) Năng lượng đối xứng (Symmetry Energy) Ngưng tụ (Condensation) Phương trình trạng thái (EoS) 10 Lý thuyết trường trung bình (Mean-Field Theory) 11 Tính chất bão hịa (Saturation Properties) 12 Tính khơng bền hóa (Chemical and Mechanical Instabilities) vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BEC Bose-Einstein condensation (sự ngưng tụ Bose-Einstein) CEP critical end point (điểm cuối tới hạn) CFL color-flavor-locked (các số lượng tử màu hương bị khóa) EoS equation of state (phương trình trạng thái) ENJL extended Nambu–Jona-Lasinio model (mơ hình Nambu–Jona-Lasinio mở rộng) MFT mean-field theory (lý thuyết trường trung bình) NJL Nambu–Jona-Lasinio model ( mơ hình Nambu–Jona-Lasinio) NSE nuclear symmetry energy (năng lượng đối xứng hạt nhân) QCD quantum chromodynamics (sắc động lực học lượng tử) QGP quark-gluon plasma QHD quantum hadrondynamics (hadron động lực học lượng tử) SB symmetry breaking (sự phá vỡ đối xứng) SR symmetry restoration (sự khôi phục đối xứng) vii MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Giản đồ pha sắc động lực lượng tử (QCD) mặt phẳng hóa µ nhiệt độ T [89] phác họa Hình tập hợp trạng thái cân hệ Cho đến nay, người ta chưa biết vị trí xác hầu hết đường chuyển pha giản đồ Sở dĩ nghiên cứu chuyển pha vật chất với có mặt đồng thời nhiệt độ mật độ toán hóc búa Các vùng có µ (hoặc) T lớn, kết tính tốn lý thuyết chưa thể kiểm chứng thực nghiệm Các tính tốn dựa mơ hình mạng QCD có tiến nghiên cứu hệ trạng thái có mật độ baryon nhiệt độ cao Kết tính tốn mơ gần [58] tiên đốn chuyển pha chiral chuyển pha khơng giam cầm kiểu crossover nhiệt độ quanh 170 MeV Vùng có mật độ nhiệt độ thấp, tức vật chất nằm pha hadron nghiên cứu tới chừng mực Nhìn chung, vật chất mật độ nhiệt độ hữu hạn nhiều điều chưa biết đối tượng xây dựng mô hình nghiên cứu Nguyên nhân phương diện lý thuyết, vùng phức tạp so với vùng có nhiệt độ mật độ cao xử lý phương pháp nhiễu loạn hadron đối tượng phức tạp người ta cố gắng mô tả chúng theo phần tử hợp thành 1.a 1.b T RHIC QGP = color superconducting T E Plasma crystal? Hadrons gas nuclear CFL liq compact star 1.c µ E nuclear superfluid CFL 2SC Nuclear Matter exotics CFL-K LOFF µ 1.d Hình 1: Các giản đồ pha mặt phẳng hóa - nhiệt độ Tuy nhiên, hiểu theo nghĩa khác, vùng hấp dẫn thử thách nhiều vấn đề vật lý chưa biết sinh động khám phá, nhiều cơng cụ lý thuyết cần phát triển Hiện nay, thí nghiệm va chạm ion nặng lượng cao công cụ tốt tạo vật chất tương tác mạnh đông đặc, chúng cung cấp hội để khám phá tính chất thú vị vật chất điều kiện cực trị, kiểm chứng tính tốn lý thuyết đặc biệt tiên đốn chuyển pha mật độ nhiệt độ cao Nói cách khác, nghiên cứu tính chất vật lý hạt nhân đặc biệt cấu trúc pha cần thiết thích hợp phương diện lý thuyết thực nghiệm Chính vậy, luận án chọn nghiên cứu đề tài "Nghiên cứu tính chất vật lý số mơ hình hạt nhân" Lịch sử vấn đề Vật chất tương tác mạnh đậm đặc nhà vật lý hạt nhân quan tâm nghiên cứu từ lâu Chuyển pha chất hạt nhân khảo sát nhiều báo lý thuyết [8, 31, 38, 56, 70, 76, 85, 86, 102, 104, 115] Các cơng trình nghiên cứu dựa mơ hình tượng luận thiết lập trực tiếp từ bậc tự nucleon Các mơ hình hạt nhân phi tương đối tính sử dụng dạng khác tương tác nucleon-nucleon thu nhiều thành công nghiên cứu chất hạt nhân mật độ thấp lượng thấp Tuy nhiên, lý thuyết hạt nhân phi tương đối tính lại thất bại phản ánh tính chất vật lý vật chất đông đặc Cụ thể, mật độ chất hạt nhân cao, ρ 3ρ0 , với ρ0 mật độ chất hạt nhân trạng thái bão hịa, lý thuyết hạt nhân phi tương đối tính vi phạm nguyên lý nhân quả-một nguyên lý vật lý Khi nghiên cứu chất hạt nhân mật độ (hoặc) lượng cao hiệu ứng tương đối tính trở lên quan trọng cần phải sử dụng lý thuyết hạt nhân tương đối tính Có thể nói lý thuyết hạt nhân phi tương đối tính lý thuyết hạt nhân tương đối tính hai phần lý thuyết bổ sung cho thang lượng thang mật độ định Lý thuyết hạt nhân tương đối tính nghiên cứu chất hạt nhân mật độ (hoặc) lượng cao Khi đó, cấu trúc, người ta đơn coi nucleon hạt mà phải tính đến cấu trúc bên ... chất hạt nhân khơng chiral sử dụng mơ hình chất hạt nhân chiral cho ta kết phản ánh tính chất chất hạt nhân thực Mơ hình chất hạt nhân chiral đối xứng xác bộc lộ tính chất sát với tính chất chất... trình, tính giải tích tính số máy tính Đóng góp luận án Sử dụng mơ hình NJL mở rộng nghiên cứu, luận án có số đóng góp định nghiên cứu tính chất vật lý chất hạt nhân: + Tái thành cơng tính chất. .. Nghiên cứu tính chất vật lý chất hạt nhân: Tính chất bão hịa Phương trình trạng thái Cấu trúc pha Đối tượng, nhiệm vụ phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu: chất hạt nhân 7 • Nhiệm vụ nghiên cứu: