压缩重子物质从原子核到脉冲星.PDF

中国科学: 物理学 力学 天文学 2013 年 第43 卷 第10 期: 1288– 1298 SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica Astronomica SCIENCE CHINA PRESS 北京大学物理百年华诞纪念专刊·评述 压缩重子物质: 从原子核到脉冲星 徐仁新* 北京大学物理学院天文学系, 核物理与核技术国家重点实验室, 北京 100871 *联系人, E-mail: r.x.xu@ 收稿日期: 2013-07-24; 接受日期: 2013-08-14 国家自然科学基金资助项目(批准号: 摘要 尽管物质世界以不熟悉的暗物质、暗能量为主, 但自然界的精彩却要归功于相对少量的那些重 子物质. 日常生活中原子核之间Coulomb 排斥有效地阻止它们通过挤压物质而聚合起来, 然而天体极端 环境时常出人意料: 大质量恒星演化至晚期时, 其核心引力如此之强以至于其他任何力( 当然包括 Coulomb 排斥)都难以媲美——压缩重子物质就这样在超新星爆发过程中诞生, 并表现为观测到的脉冲 星. 对这类压缩重子物质的研究将不仅加深对强作用基本性质的认识, 而且有助于检验引力理论、探测 低频引力波、建立精确的时间标准和导航体系, 还是我国在建或拟建大型天文望远镜的核心课题. 历史 上Landau 曾推测恒星核心存在巨大的原子核(后来发展成为“ 中子星”模型), 我们经过研究后却认为脉冲 星其实是由夸克集团而构成的凝聚体. 夸克集团作为超新星爆发形成压缩重子物质的基本单元这一想法 十年来并未被观测排除, 而且我们还期待未来功能更强大的观测设备检验它. 关键词 脉冲星, 核物质, 夸克物质, 原子核 PACS: 97.60.Gb, 21.65.-f, 21.65.Qr, 21.60.-n doi: 10.1360/132013-347 诚然物质世界95% 以上由不熟悉的暗物质、暗能 以残存, 直到宇宙年龄百余秒时部分核子又重新聚 4 量组成, 但是我们这个丰富多彩的世界却要归功于 合(主要产物为 He). 自然界中绝大多数比较重的原 剩余的重子物质; 后者主要由夸克( 并伴随轻子) 构 子核是在跟恒星相关的过程中合成的. 目前发现重 成, 已被人们透彻地研究. 夸克间强作用的渐近自由 子数最大的核是 118 号元素(Ununoctium); 它是通过 性质使得其在宇宙极早期处于游离状态(夸克胶子等 加速器中重元素核反应合成的, 重子数为294. 离子体, QGP); 随着宇宙膨胀、降温而导致夸克之间 不过, 本文将逆向于以上的思路: 可否大规模地 耦合增强, 如下两个因素有助于色单态重子在年龄 将当今宇宙中的原子核再次聚合起来? 鉴于荷电轻 几十微秒的宇宙中诞生(零重子数的介子最终衰亡): 子( 电子质量最轻, 也最稳定)不参与强作用, 电子在 强作用存在三种色荷, 重子之间可能存在排斥芯(经 利用较弱的电磁作用与原子核这个强作用客体耦合 验地讲, 至少核子如此). 质量最轻的重子( 即核子)得 在一起构成原子时, 其分布范围远远超过核. 原子中 引用格式: 徐仁新. 压缩重子物质: 从原子核到脉冲星. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2013, 43: 1288– 1298 Xu R X. Compressed baryonic matter: from nuclei to pulsars (in Chinese). Sci Sin-Phys Mech Astron, 2013, 43: 1288– 1298, doi: