物理學家發現低密度中子物質中超流性的證據

由阿貢國家實驗室的亞歷山德羅·洛瓦託博士率領的理論物理學家團隊表示，精準描述低密度核物質，對解釋中子星外殼的物理特性至關重要。

弗爾等人透過模擬中子物質，接著加入「隱藏」中子以促成「真實」中子間的相互作用，以此研究中子星外殼；接下來，神經網路會建構出中子物質正常態和超流態的量子波函式。圖片出處：俄亥俄大學的簡·金。

中子星的內部外殼具有中子超流體的特性。

超流體是一種沒有黏性的流體。在中子星中，這意味著超流體能讓中子毫無阻力地流動。

為了精準預測低密度形式下處於最低能量級的中子物質特性，研究人員會進行理論計算，而這些計算通常假定中子會結合形成庫珀對。

洛瓦託博士及其同事表示：「在中子星外殼中發現的低密度核物質，展現出複雜且迷人的結構，其會隨密度大幅變化。」

「在外層外殼，核子會束縛於完全電離的原子核。隨著該區域密度增加，這些原子核的中子含量越來越高，因此，地球上的實驗只能直接確定低密度下存在的主要原子核種類。」

物理學家運用人工神經網路，在不依賴上述假設的情況下做出精準預測。

他們透過引入「隱藏」中子，對標準的「單粒子」方法加以修改。這些「隱藏」中子能促進「真實」中子間的相互作用，並編碼量子多體相關性。

這能讓庫珀對在計算過程中自然形成。

研究人員稱：「瞭解中子超流性，能為研究中子星提供重要見解。」

「它能幫助我們理解中子星的冷卻機制、自轉，以及如突發自轉變化（轉速突然改變）等現象。」

「雖然我們無法透過實驗直接接觸中子星物質，但支配這種物質行為的基本相互作用，和支配地球上原子核的相互作用是相同的。」

「研究人員正努力構建既簡單又具預測性的核相互作用。」

「精準解決量子多體問題，是評估這些相互作用質量的關鍵部分。」

「我們的研究使用的簡單相互作用，與先前假定更複雜相互作用的計算結果吻合度良好。」

低密度中子物質具有迷人的突現量子現象，比如庫珀對的形成和超流性的出現。

科學家們表示：「我們運用人工神經網路和先進的最佳化技術，研究這個密度範圍。」

「藉由一個中子間相互作用的簡化模型，我們計算出每個粒子的能量，並將結果與從高度逼真的相互作用中獲得的結果做比較。」

「這種方法成本低廉，卻能與其他計算方法相媲美。」

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布賴斯·弗爾等人，2024年。利用神經網路量子態研究中子星外殼。arXiv: 2407.21207

布賴斯·弗爾等人，2023年。來自神經網路量子態的低密度中子星物質。《物理評論研究》5(3): 033062；doi: 10.1103/PhysRevResearch.5.033062