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极端条件下物质形态 matter under extreme conditions

极端条件下物质形态 matter under extreme conditions. 浙江近代物理中心鲁定辉 dhlu@zju.edu.cn. Big Bang + Inflation 时间( s) 温度( eV) 事件 10 -36 10 24 大统一时期 10 -32 10 23 暴涨开始 10 -12 10 12 电弱相变 10 -6 10 9 质子、中子产生 10 -2 -10 2 10 6-7 核合成

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Presentation Transcript


  1. 极端条件下物质形态matter under extreme conditions 浙江近代物理中心鲁定辉 dhlu@zju.edu.cn

  2. Big Bang + Inflation 时间(s) 温度(eV) 事件 10-361024 大统一时期 10-321023 暴涨开始 10-12 1012 电弱相变 10-6 109 质子、中子产生 10-2-102 106-7 核合成 1013 1原子形成,星系 1017-18 10-4(3K,137+2亿年) 宇宙学模型

  3. 中子星和夸克星 (QGP) QGP: a state of matter in which the quarks inside protons and neutrons will blend together in a high-energy soup. • 惯性约束聚变(ICF)有关的HEDP 拍瓦(10^15-Petawatt)激光与等离子体相互作用 • Data: 实验室与天体观测相结合

  4. phase diagram Rho 2001 • QCD 相图 • 实验室 • 天体粒子

  5. 国际上高精度天体观测设备 • Hubble空间望远镜 • 多种望远镜和探测器(射电、红外、X射线和射线、宇宙线等 Keck telescopes on Mauna Kea, Hawaii HST in orbit Very Large Telescope (VLT) on Cerro Paranal in northern Chile

  6. 钱德拉X射线(2004): “Cassiopeia A”,仙后座的巨大超新星恒星残留,距离地球有1万光年。爆炸图像显示该恒星已经坍缩成为一颗新生的中子星. 包含的大量有价值信息足够天文学家们花上几年的时间来深入分析研究。

  7. 直径10公里,质量却比地球大100万倍。像陀螺似的旋转高速摆动,以每秒3次的频率发出无线电脉冲。直径10公里,质量却比地球大100万倍。像陀螺似的旋转高速摆动,以每秒3次的频率发出无线电脉冲。 • 39年,Tolman-Oppenheimer-Volkoff. • 67年;Bell-Hewish. 74年Nobel prize • 已经发现400多颗。 银河系可能有10万颗!

  8. Cross section • Relativity:压强向中心递增 • 内核:超流体,奇异星 • 中心:夸克物质(QGP,新结构,色超导) • 温度效应?

  9. RHIC Au核加速到约200AGeV(质心系动能),金核对撞产生自由形态的夸克,这时夸克-胶子等离子体运动形式与理想液体性质十分相似(粘性极低)

  10. 液气相变-- 高能质子轰击金核

  11. 模拟 实验 L=1600mm L=1200mm L=1350mm 内爆压缩(DT靶丸) 实验证明了热斑的形成 Nature V.412,798(2001)

  12. NIF(国家点火装置) : 1.8MJ(5-10ns), 计划2006年48束,2008-2009年192束。2010年左右将在实验室中演示热核点火和自持燃烧过程。(我国2020年点火)

  13. 巨行星(氢)演化与状态方程关系敏感(D2的EOS)巨行星(氢)演化与状态方程关系敏感(D2的EOS)

  14. 中子星或黑洞对白矮星的强烈的吸积(形成吸积盘)发射的X射线,以及X射线引起的光致电离等离子体(平衡和非平衡)是研究吸积致密天体动力学的重要内容。中子星或黑洞对白矮星的强烈的吸积(形成吸积盘)发射的X射线,以及X射线引起的光致电离等离子体(平衡和非平衡)是研究吸积致密天体动力学的重要内容。

  15. Questions: • 如何描述高温,高密度物质? • 夸克自由度重要吗? • 诊断: QGP信号(周期变化,双轻子,j/psi) • 核聚变产物 相对论重离子碰撞(非平衡输运过程) 中子星的结构

  16. 物态方程1

  17. 物态方程2 • D和Cu状态方程图 • 约1Mb条件下氘的EOS出现以前未知的状态

  18. Conventional approach • 非相对论Schrodinger 方程 (Lippman-Schwinger Eq) + N-N potential • 3N system (Faddeev Eq) • 4N system (Yacubovsky Eq) • ……. • Nuclear matter (208Pb center) ( Hartree-Fock, MFT)

  19. Saturation (饱和性 ) • 结合能 (-16MeV) • 费米动量 (1.36 fm^-1)

  20. Quantum Hadrodynamics • Many baryon problem • Consistent framework (Lorentz covariance) • QCD-motivated (Lagrangian,symmetries)

  21. Why Sigma, Omega meson?

  22. Mean Field Theory • 场方程由 Euler-Lagrange 方程给出: • 均匀核物质

  23. Equation of State -Relates pressure and energy density • 由能动量张量给出: • 静态流体

  24. 物态方程

  25. 耦合常数

  26. 中子星(白矮星,黑洞) • 是检验核物理,粒子物理,凝聚态物理,强磁场,广义相对论的宇宙实验室! (4种力!) • 物态方程对其演化至关重要! • Oppenheimer-Volkoff equation 静态球对称恒星结构基本方程(外解与Schwarzschild度规连接)

  27. qmc1

  28. qmc3

  29. 质量与中心密度(QHD,QMC)

  30. 质量-半径关系

  31. 对于有限温度问题 • 用bag估算

  32. 温度场论 • 核物质,奇异物质,夸克物质的热力学性质,物态方程,相变 • 强作用系统的相变:液气相变,手征相变,夸克退禁闭相变,色超导相变 • 强子性质(质量,耦合“常”数)随温度的变化 • 热力学势

  33. 由热力学关系 得到 • 其中重子数随温度分布

  34. Eos with T

  35. 模型的改进? • 如以QHD为基础提出新的状态方程 Serot and Walecka, Adv. Nucl. Phys. 16,1(1986) Furnstahl,Serot,Tang,NPA615,441(1997) • QMC:Gichon e.a.NPA601,349(1996) • Other effective field theory (NJL model) ref: W.Bentz e.a., nucl-th/0210067 ref: Wilczek e.a. CFL, NPB537(1999)443 PRL86(2001)3492

  36. Open questions • 更完整的致密天体图象(中子星,奇异星,夸克星,或其混合) • 新物质结构,强子相到夸克相相变规律 • 毫秒,亚毫秒脉冲星的发现(Chandra,INTEGRAL) • 旋转中子星的解?(与Kerr度规连接) • 强磁场(exp(12)高斯)影响--两极喷射

  37. 1 • Quark matter is not simple Fermi gas, since the interaction between quarks could cause Fermi-sea unable • Space homogeneity: 2SC, CFL, LOFF state • Space inhomogeneity? e.g., lattice structure?

  38. Hybrid star 猜想 Strange matter in bulk is absolutely stable? Bodmer-Witten • In certain neutron stars the shedding of angular momentum and energy over time causes the star to contract. As the star's core density increases, some neutrons can "melt," creating an environment in which normally unstable particles such as hyperons and strange quarks can survive indefinitely(?) and can even come to predominate in more and more of the star (a, b, c). An estimated 1% of all neutron stars are undergoing this sort of transition.

  39. Neutron stars or Strange stars? Witten (1984), PRD, 30, 272 Haensel et al. (1986), A&A, 160, 121 Alcock et al. (1986), ApJ, 310, 261 Neutron Stars or Strange stars? Burning Phase Collapse Supernova Explosion “QGP & quark stars” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu R.X. Xu

  40. Three issues are challenging the conventional neutron stars models: • 1, Drifting subpulses • 2, Thermal spectra of NSs • 3, Precession of radio pulsars

  41. 学问学问,要学“问” • 思考题: • 中子磁矩,质子自旋之起源? • 原子弹、氢弹物理机制有何不同? • 欢迎有兴趣同学与我e-mail联系讨论 (SRTP,毕业论文等)

  42. 谢谢各位!

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