基于壳模型配对近似对原子核伽莫夫-泰勒跃迁的研究

Gamow-Teller transition is an important mode of nuclear beta decays. It determines cross sections of many weak processes and charge-exchange processes in nuclear physics. Therefore, Gamow-Teller transition is pivotally important in research of beta-decay, double beta decay, and stellar nucleosynthesis. As those subjects are in the frontier of nuclear physics and have been devoted a lot of efforts into, a reliable caculation of Gamow-Teller transition rates becomes a crucial goal of nuclear structure theories. In the past few decades, data of Gamow-Teller transitions and 2 neutrino double beta decays has been accumulating, which provides a great opportunity and also a great challenge for nuclear structure models. For medium heavy nuclei, the Nucleon-pair Approximation has advantages such as small dimensions, practicability and clear physics pictures, compared with traditional shell model. Therefore, this project applies the Nucleon-pair Approximation to Gamow-Teller transitions of heavy nuclei. This project has these facets: (1) validity of pair truncated wavefunctions in open-shell heavy nuclei; (2) calculations of Gamow-Teller transition rates of nuclei in the A=130, A=210 regions; (3) calculations of double-beta-decay transition matrix elements of Ca48, Xe136 and so on.

伽莫夫-泰勒跃迁是原子核一种重要的β衰变模式，对核物理中许多弱过程、电荷交换过程的反应截面起决定作用，所以伽莫夫-泰勒跃迁对于β衰变放射性、ββ衰变、星系核素合成等物理问题的研究至关重要，而这些物理问题是当前核物理和核天文学前沿领域，关于伽莫夫-泰勒跃迁以及ββ 衰变的实验研究对于核结构理论模型提供了机遇和挑战。对于中重原子核，与传统壳模型相比，配对近似理论具有维数小、物理图像清晰等优点。所以本项目提出利用壳模型配对近似理论研究重核伽莫夫-泰勒跃迁。本项目包含以下几个方面: (1)传统配对波函数对于既存在价质子又存在价中子的重核系统可靠性研究; (2) A~130、A~210区域伽莫夫-泰勒跃迁的研究; (3)Ca48 和 Xe136 等原子核双贝塔衰变寿命的研究。

原子核伽莫夫-泰勒跃迁是重要的核结构前沿问题，关系到原子核贝塔衰变、双贝塔衰变、星系核合成等重要的物理过程。原子核壳模型是最重要的核结构模型之一，也是最成功的的模型之一，但受组态空间维数的限制，难于应用至中重核。在壳模型框架下，配对近似模型对壳模型组态空间进行有效的截断，对中重核尤其是过渡区原子核低激发态的计算比较成功。本项目将配对近似应用于伽莫夫-泰勒跃迁，探讨配对近似低激发态的可靠性、以及β、ββ衰变的计算，并探索了新的配对近似建模思路。. 本项目编写了J-scheme，M-scheme配对近似程序，进行了一些核素的伽莫夫-泰勒跃迁计算，并尝试了Ca48的两中微子双贝塔衰变，发现配对近似可以重现实验中观察到的相位相消现象。本项目推导了跃迁求和规则算符公式，计算了一系列原子核的E1、E2、M1、GT跃迁求和规则，展示了配对近似基态的可靠性，对Brink-Axel假设提出了质疑，对一系列N=Z的原子核TRK求和规则实验数据提供了理论支持。结果表明，在SDG截断下，使用共轭梯度法部分优化的集体对得到的β-总强度与壳模型接近，但β+总强度略高于壳模型结果。. 一部分伽莫夫泰勒跃迁的计算工作还在进行，阶段性结果尚未整理发表。此外，在本项目的支持下，项目组正在开展投影配对近似模型的工作，有望拓展配对近似理论的适用范围。