基于宏观-微观模型的原子核性质及参数不确定性研究

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原子核结构主要研究原子核基态和低激发态下的一系列性质,是原子核物理学的一个重要研究领域。原子核质量(结合能)作为原子核的基本性质之一,直接反映核内强相互作用、弱相互作用以及电磁相互作用的结果,在原子核结构、低能核反应以及天体物理的研究中均起着至关重要的作用。近年来,核质量测量精度的提高在不同领域如基本常数的确定、对称性破缺、计量学、恒星演化和核聚变等都有着重要影响。而理论方面的全局性Bethe-Weizs(?)cker(BW)质量模型可以较好重现原子核质量,且模型参数不确定性研究对评价模型预言能力具有重要意义。本论文在宏观-微观模型(Macroscopic-Microscopic model)理论框架下,基于对能-形变自洽的Woods-Saxon-Strutinsky计算方法,如Potential-Energy-Surface(PES)和 total-Routhian-surface(TRS),对原子核性质及模型参数不确定性进行了研究。我们基于BW质量模型开展了几部分工作:第一,本工作基于AME2016实验数据利用最小二乘法实现了对三种BW质量模型参数的重新拟合。通过随机数抽样方法在较大样本空间下对模型参数及不确定性进行了研究,发现质量模型参数的统计相关性对研究理论结合能不确定性具有重要影响。我们定量给出了模型参数统计相关性对理论结合能不确定度的影响,以208Pb为例,是否考虑参数统计相关性对理论结合能误差的影响相差百倍以上。然后,我们发现模型参数不确定性对三种常见实验结合能误差取值方式及大小有较强依赖性,但参数的统计相关性对其依赖性很弱。第二,结合PES系统性计算,考虑增加不同作用对两种BW半经验质量模型进行了改进,发现模型改进后实验与理论结合能总体方均根值从2.5MeV减小到了 0.6MeV左右。同样对改进后的模型考虑参数统计相关性以及误差传递关系定量给出了理论结合能不确定度。第三,基于精确解的方式提出了一种估计模型参数及误差的新方法,发现此时的模型参数分布为柯西分布。由于此种分布期望值不存在,我们利用最大似然法拟合得到柯西分布的位置参数与尺度参数对应模型参数及参数误差。其次,研究发现208Pb的理论结合能由两个尺度参数不同的柯西分布组成,且误差范围合理,置信水平较高。对于整体的原子核计算结果的理论误差均在几个半高宽内,此种方式在一定程度上提高了质量模型的预言能力。第四,利用改进的六参数质量模型对β稳定线上的原子核结构性质进行研究,发现改进后的六参数模型的预言能力显著提高。在研究过程中我们发现并详细讨论了约化跃迁几率B(E2)和电四极矩Q两种实验上提取四极形变β2的方法。结果表明,没有考虑振动效应的PES计算方法得到的β2与Q提取的实验β2更加接近,但是考虑振动效应的B(E2)提取的实验β2更能反映真实形变情况。根据双核子分离能变化的系统规律,我们重新估计了偶偶核在稳定线上的存在极限,这为实验人员提供了一定程度上的理论依据。给定自旋时能量最低的晕态是实验上最易观测到的态,且能够反映出很多有趣的现象,如带交叉,晕阱(yrast traps),形状相变等。虽然理论上原子核沿晕线的振动与转动之间的集体演化模式都有可能发生,但是实验上尚未观测到转动到振动的演化现象。我们从描述原子核集体运动演化模式的E-gamma over spin(E-GOS)曲线入手,发现单纯从曲线的变化趋势作为直接判断原子核转动到振动运动演化的理由并不充分,这是人们对带交叉产生的“类振动”现象的误解。我们对一些典型核从形状、转动惯量、顺排角动量以及势能面随推转频率演化对此问题进行了澄清。研究表明,这种“类振动”现象出现的原因可能是由于基带与S带之间的强相互作用。其次,我们对几个较典型具有较大γ形变原子核的高自旋态也进行了研究,并对单粒子能级的形变和推转依赖性进行简要分析。除此之外,我们对Woods-Saxon波函数的组成成分以及单粒子能级不确定性方面也进行了研究,发现势参数不确定度对单粒子能级的不确定性有直接影响。
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