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使用核碰撞仿真与机器学习研究原子核内中子密度分布与核子核子关联

批准号:
12075098
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
庞龙刚
依托单位:
学科分类:
核反应与重离子核物理
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
庞龙刚

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
从高统计量核碰撞数据中提取原子核结构的信息是高能与低能核物理交叉学科领域新兴的热门研究方向。这些研究包括从大量的核碰撞实验或仿真数据中提取原子核变形因子,中子皮厚度及阿尔法团簇等核结构信息。在核碰撞的计算机仿真程序中,原子核一般被建模为多个独立核子的集团,未考虑因两体,三体相互作用及张量力引起的两核子关联对碰撞初态涨落和末态粒子关联的影响。本项目计划在核结构中加入参数化的中子密度分布与核子核子关联,研究其对核碰撞末态粒子分布的影响。使用并改进机器学习中的点云神经网络,将末态粒子在动量空间的分布映射到初态中子密度分布与核子核子在坐标空间的关联,为从核碰撞实验数据中提取核结构信息提供指引。核子在原子核内的分布以及核子核子关联是低能与高能核物理共同关注的重要科学问题。核碰撞蒙特卡洛仿真与机器学习,同时提供了大数据生成与智能数据分析,是创新的交叉学科研究方法。
英文摘要
Extracting nuclear structure from high statistical heavy-ion collision data is a new research area in the interdisciplinary researches of high and low energy nuclear physics. Hot topics include extracting the nuclear shape deformation, neutron skin and $\alpha$-clusters, from a big amount of nuclear collision data from experiments or simulations. Nucleus are usually modeled as a cluster of independent nucleons in the computer Monte Carlo simulations of high-energy heavy-ion collisions, without taking into account the effect of nucleon-nucleon correlation caused by two-body, three-body interaction and tensor force to the initial state fluctuation and final state correlation. The current project plans to add parameterized neutron density distribution and nucleon-nucleon correlation in nuclear structure, to study their effects on the final state particle distribution, and to map the momentum distribution of final state particles to the neutron density and spatial correlation of nucleon pairs, using improved Point-Cloud neural network from machine learning tool box, to provide a guideline for extracting nuclear structure from nuclear-collision experiment. The distribution and correlation of nucleons in nucleus are the common interests of low energy and high energy nuclear physics. The nuclear-collision Monte Carlo simulations and machine learning, which provide both big data generation and smart data analysis, is novel interdisciplinary research method.
近年来,人工智能与高能核物理的交叉领域迅速发展。本项目聚焦于:一是开发适用于核物理研究的人工智能架构;二是研究核子在原子核内的分布对核碰撞的影响。从高统计量核碰撞数据中提取原子核结构信息已成为高能与低能核物理交叉学科的新兴热门方向,这些信息包括原子核变形因子、中子皮厚度及α团簇等。..在本项目的资助下,团队取得了显著成果,共发表16篇致谢项目编号的文章,其中影响因子最高的一篇是发表在《现代物理评论》上的《机器学习与核物理》综述,五年平均影响因子达51。此外,申请人培养了12名研究生,并举办了AI与物理学交叉的QCD讲习班,推动了学科交叉与人才培养。..在人工智能架构方面,团队尝试了卷积网络和点云网络在中子皮类型预测中的应用,发现这些网络在捕捉粒子间长程关联方面存在局限。随后,团队引入动态Edge卷积神经网络,通过将每个粒子及其周围k个最近邻粒子一起输入神经网络进行Edge卷积,有效捕捉了多粒子间的长程关联。进一步改进后,团队为该网络添加了两个分支输出模块,分别用于输出事件类别信息和对粒子进行噪声或信号标注,显著提升了网络的可解释性和性能。..在核子核子关联研究方面,团队重点关注了氧原子核内的核子核子关联。通过对比单核子分布的Woods-Saxon分布采样原子核和包含四个α团簇的原子核,团队利用相对论流体力学模拟了核核碰撞过程中夸克胶子等离子体的演化,并在核碰撞末态寻找核子核子关联信息。研究表明,核子核子关联会显著改变核核碰撞的初态熵密度分布,从而影响不同中心度下末态粒子快度多重数的比例,为通过核核碰撞确定轻核中的核子核子关联提供了重要参考。..此外,团队还尝试了使用Physics Informed Neural Network(PINN)直接求解薛定谔方程,目前在简单的一维Woods-Saxon势阱中已取得良好数值解,并已发表相关文章。与本项目相关的其他研究,如考虑两核子关联对轻核产额的影响以及使用Transformer架构从核碰撞末态确定核子核子关联的研究,目前已成稿,预计将于2025年上半年投到预印本网站。
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