原子核结构壳模型:粒子空穴转换
1. 准自旋( quasi-spin )的SU(2)代数
对于每个单 \(j\) 壳,定义两个算符\(S_+, S_-\):
其中 \(a_m\) 是 \(a_{jm}\)的缩写,因为这里的讨论都局限于一个单 \(j\) 壳内,所以这样简略表达。
\(S_\pm\)是 S 对产生算符和湮灭算符。通过费米子产生湮灭算符的反对易子,可以推导 \(S_\pm\) 的对易子:
其中\(\hat{N}_j\) 是 \(j\) 壳上的粒子数算符,\(\Omega_j = (2j+1)/2\)。
另外有
( 因为对产生湮灭算符会增加减少粒子数 2 )。
定义
会得到
所以可以定义
由于\(S_+, S_-\)互为共轭,所以\(S_x, S_y\)都是厄米算符,\(S_z\)显然也是厄米算符。利用上面的对易子,很容易得到
即 SU(2) 代数,与自旋算符的代数一样,所以叫做准自旋。显然,\(S_z\) 与粒子数相关,如果波函数是S对condensate,那么\(S_z\)量子数就是”超过一半容量的对数“。
在给定粒子数的情况下,是一个衡量波函数中有多少配成\(S\)对的算符。
2. 粒子空穴共轭算符:\(\Gamma = e^{i\pi S_y}\)
2.1 \(\Gamma\)是幺正算符
因为 \(S_y\) 是一个厄米算符,所以\(\Gamma^\dagger = e^{-i\pi S_y}\), 所以有
2.2 \(\Gamma \tilde{a}_m \Gamma^\dagger = - a^\dagger_{m}, \Gamma a^\dagger_m \Gamma^\dagger = \tilde{a}_m\)
约定 \(\tilde{a}_m = (-1)^{j+m}a_{-m}\)。对于任意算符\(S, Q\),定义
则有偏导数
现在取 \(x = i\pi, Q = \tilde{a}_m\),由泰勒展开式,得到
由费米子产生湮灭算符的反对易子,可以推导得到
所以有
代入\(\Gamma \tilde{a}_m \Gamma^\dagger\)得到
类似地,还能得到
进一步
2.3 \(\Gamma |0\rangle = \frac{1}{\Omega!}S^\Omega_+ |0 \rangle, \Omega = (2j+1)/2\)
显然,\(\frac{1}{\Omega!}S^\Omega_+ |0 \rangle\)表示占满整个 \(j\) 壳的状态。
当 \(n/2 \leq \Omega\) 时,利用\(S_\pm\)的对易子,可以推导出
所以立即得到
所以,\(\frac{1}{\Omega!}S^\Omega_+ |0 \rangle\) 是归一化的,是归一化的满占据波函数。下面证明\(\Gamma |0\rangle = \frac{1}{\Omega!}S^\Omega_+ |0 \rangle\)。
首先,如果定义
也可以在 \((j,m), (j,-m)\) 这两个轨道上定义一个迷你的准自旋 SU(2) 代数。
那么,\(\Gamma = e^{i\pi S_y} = e^{i\pi \sum S_y(m) } = \prod \Gamma_m\),
容易看出
所以,计算得到 \(\Gamma_m | 0 \rangle = S_+(m) | 0 \rangle\),
最后一个等号是因为 \(S^\Omega_+ | 0 \rangle\) 会产生 \(\Omega!\) 个 \(\prod_m S_+(m)|0\rangle\)。
2.4 \(\Gamma \Psi_{IM\nu} (j^n)\)正比于\(\Psi_{IM\nu}\)的对偶空穴态
如果把\(\Psi_{IM\nu}(j^n)\)中的所有粒子都拿走,所有没被占据的轨道都填上,会得到一个角动量为\((I,-M)\)的\(2\Omega-n\)粒子波函数,咱们暂且把这个波函数叫做\(\Psi_{IM\nu}\)的对偶空穴态。
这里假设了seniority是好量子数,即\(\Psi_{IM\nu}\)可以表示为
即一部分是归一化之后的 seniority 为 0 的\((\frac{(\Omega -q -\nu)!}{q!(\Omega -\nu)!})^{1/2} S^q_+ |0>\),另一部分是
那么,
最后一行使用了 \(\Gamma | 0 \rangle = \frac{1}{\Omega!} S^\Omega_+ | 0 \rangle\).
利用 \(\Gamma S_+ \Gamma^\dagger = - S_-\),\(S_\pm\)的对易子,以及 \(\Gamma a^\dagger_m \Gamma^\dagger = \tilde{a}_m\),得到
\(\phi_{IM}\)占据了 \(\nu\) 个 \((j,\pm m)\) 轨道对中的一半,如果这一半空出,而另一半占据则正比于\(\tilde{\phi}_{IM}\)。
除了这些对偶轨道之外的轨道能容纳 \(\Omega - \nu\) 个对,\(\Phi_{IM\nu}\)占据了\(q\)个,剩下\(\Omega-\nu-q\)个”对轨道“,若这些被占据则构成\((\frac{q!}{(\Omega-q-\nu)!(\Omega-\nu)!})^{1/2} S_+^{\Omega-q-\nu} |0\rangle\)。
所以,\(\Gamma \Psi_{IM\nu}\)正比于\(\Phi_{IM\nu}\)的对偶空穴态。
2.5 粒子空穴变换
所以,任何矩阵元的计算,都可以插进几个\(\Gamma^\dagger \Gamma\),进行粒子空穴转换:
如果空穴数少于粒子数,就把哈密顿量做个粒子空穴变换\(\hat{H} \rightarrow \Gamma \hat{H} \Gamma^\dagger\),以 \(\Gamma | \Phi \rangle\) 为基矢做计算。
注意,如果 \(\Phi\) 没有好的 seniority,\(\Gamma | \Phi \rangle\)并不是严格的 \(\Phi\) 的空穴对偶态,而是各个不同seniority组分的空穴对偶态乘以一个相因子以后的叠加。具体相因子与相应组分中的 \(S\) 对个数、角动量和第3角动量有关,即上面公式中的 \((-1)^q (-1)^{I +M}\)。
3. 壳模型相互作用的粒子空穴转换
3.1 壳模型 1+2body 相互作用形式
在pn格式下(与之相对的是isospin格式),壳模型1+2body哈密顿量为
三个部分分别是质子、中子、质子-中子三个部分。
其中\(\hat{A}^\dagger_{IM}(ab) = ( a^\dagger \otimes b^\dagger )_{IM}\),是不可约张量算符。
中子部分格式与质子部分是相似的,
质子-中子部分略有不同
3.2 \(H_{pp} \Rightarrow \Gamma H_{pp} \Gamma^\dagger\)
3.2.1 单体项
单体项很简单,因为
所以有
即满占据的总单粒子能减去空穴的“单粒子能”,空穴的单粒子能是粒子的单粒子能的负数。
3.2.2 两体项
利用前面推导的\(\Gamma\)算符的性质,得到,
利用 Wick 定理,即任意算子都可以表示成一系列正则排序的算子之和,
经过亿点繁琐的计算,得到
3.3 \(H_{nn} \Rightarrow \Gamma H_{nn} \Gamma^\dagger\)
\(\Gamma H_{nn} \Gamma^\dagger\)也是完全类似的,把上面的公式中的轨道全部换成中子轨道即可。
3.4 \(H_{pn} \Rightarrow \Gamma H_{pn} \Gamma^\dagger\)
3.4.1 质子、中子都做粒子空穴转换
经过相似的一点推导,得到
所以变换以后的两体部分不变,多了常数项、质子单体项、中子单体项。
3.4.2 只有中子做粒子空穴转换
3.4.3 只有质子做粒子空穴转换
4.计算验证
我用 jun45 相互作用(使用 scaling),分别用 PandaWarrior 和 Bigstick 进行计算:1) \(p2n2\) 2) \(p \bar{2} n \bar{2}\) 3) \(p2n\bar{2}\) 4) \(p\bar{2}n2\) 四种情况,其中 \(p2\) 表示 \(2\) 质子,\(p\bar{2}\) 表示 2 质子空穴。
4.1 \(p2n2\):\(^{60}_{30}Zn\)
前20个能谱如下,PandaWarrior 和 Bigstick 的结果完全一样(虽然PandaWarrior没有isospin)。
BigStick States:
State E Ex J T
1 -50.42585 0.00000 0.000 -0.000
2 -49.43000 0.99585 2.000 -0.000
3 -47.78510 2.64075 4.000 0.000
4 -46.30908 4.11676 2.000 -0.000
5 -46.24605 4.17980 0.000 0.000
6 -45.97339 4.45246 2.000 -0.000
7 -45.85816 4.56769 6.000 0.000
8 -45.69710 4.72875 1.000 -0.000
9 -45.25258 5.17327 4.000 -0.000
10 -45.22663 5.19922 3.000 -0.000
11 -45.00065 5.42520 1.000 -0.000
12 -44.98837 5.43748 2.000 1.000
13 -44.80961 5.61624 2.000 -0.000
14 -44.70301 5.72284 3.000 0.000
15 -44.61498 5.81087 2.000 1.000
16 -44.56598 5.85987 3.000 0.000
17 -44.56188 5.86397 0.000 -0.000
18 -44.51231 5.91354 1.000 1.000
19 -44.47028 5.95556 2.000 0.000
20 -44.43870 5.98715 1.000 1.000
PandaWarrior States:
States E Ex J pi ?th
1 -50.4258 0 0+ 1th
2 -49.43 0.99585 2+ 1th
3 -47.7851 2.64075 4+ 1th
4 -46.3091 4.11677 2+ 2th
5 -46.246 4.17981 0+ 2th
6 -45.9734 4.45246 2+ 3th
7 -45.8582 4.56769 6+ 1th
8 -45.6971 4.72875 1+ 1th
9 -45.2526 5.17327 4+ 2th
10 -45.2266 5.19922 3+ 1th
11 -45.0006 5.4252 1+ 2th
12 -44.9884 5.43748 2+ 4th
13 -44.8096 5.61624 2+ 5th
14 -44.703 5.72284 3+ 2th
15 -44.615 5.81087 2+ 6th
16 -44.566 5.85987 3- 1th
17 -44.5619 5.86397 0+ 3th
18 -44.5123 5.91354 1+ 3th
19 -44.4703 5.95557 2+ 7th
20 -44.4387 5.98715 1+ 4th
4.2 \(p20n20\):\(^{96}_{48}Cd\)
BigStick states:
State E Ex J T
1 -528.99745 0.00000 -0.000 0.000
2 -528.09635 0.90111 2.000 0.000
3 -527.01004 1.98741 4.000 0.000
4 -526.96621 2.03125 -0.000 0.000
5 -526.33770 2.65975 2.000 0.000
6 -526.31427 2.68319 5.000 0.000
7 -526.06750 2.92996 3.000 0.000
8 -525.97606 3.02140 6.000 0.000
9 -525.51433 3.48312 8.000 0.000
10 -525.33979 3.65767 4.000 0.000
11 -524.98870 4.00875 4.000 0.000
12 -524.96354 4.03391 8.000 1.000
13 -524.85037 4.14709 2.000 1.000
14 -524.75086 4.24659 6.000 0.000
15 -524.71605 4.28141 8.000 0.000
16 -524.64199 4.35546 5.000 0.000
17 -524.61983 4.37762 6.000 0.000
18 -524.61334 4.38412 2.000 0.000
19 -524.58394 4.41351 1.000 1.000
20 -524.53035 4.46711 4.000 0.000
PandaWarrior States:
States E Ex J pi ?th
1 -528.998 0 0+ 1th
2 -528.096 0.901055 2+ 1th
3 -527.01 1.98744 4+ 1th
4 -526.966 2.03116 0+ 2th
5 -526.338 2.65966 2+ 2th
6 -526.314 2.68317 5- 1th
7 -526.068 2.92988 3- 1th
8 -525.976 3.02133 6+ 1th
9 -525.514 3.4831 8+ 1th
10 -525.34 3.65767 4- 1th
11 -524.989 4.0087 4- 2th
12 -524.964 4.03392 8+ 2th
13 -524.85 4.14708 2+ 3th
14 -524.751 4.24655 6- 1th
15 -524.716 4.2814 8+ 3th
16 -524.642 4.35541 5- 2th
17 -524.62 4.3776 6+ 2th
18 -524.613 4.38411 2+ 4th
19 -524.584 4.4135 1+ 1th
20 -524.53 4.46708 4+ 2th
4.3 \(p2n20\):\(^{78}_{30}Zn\)
BigStick States:
State E Ex J T
1 -198.39336 0.00000 0.000 9.000
2 -197.34820 1.04516 2.000 9.000
3 -196.60879 1.78457 4.000 9.000
4 -196.51383 1.87952 2.000 9.000
5 -195.98205 2.41131 4.000 9.000
6 -195.90511 2.48824 0.000 9.000
7 -195.70748 2.68587 3.000 9.000
8 -195.67498 2.71837 2.000 9.000
9 -195.65626 2.73710 5.000 9.000
10 -195.52211 2.87124 6.000 9.000
11 -195.48953 2.90383 0.000 9.000
12 -195.48833 2.90502 2.000 9.000
13 -195.46283 2.93052 1.000 9.000
14 -195.45651 2.93684 4.000 9.000
15 -195.43577 2.95759 1.000 9.000
16 -195.43262 2.96074 8.000 9.000
17 -195.40300 2.99036 4.000 9.000
18 -195.25651 3.13685 3.000 9.000
19 -195.14086 3.25249 6.000 9.000
20 -195.00435 3.38901 2.000 9.000
PandaWarrior States:
States E Ex J pi ?th
1 -198.393 0 0+ 1th
2 -197.348 1.04516 2+ 1th
3 -196.609 1.78457 4+ 1th
4 -196.514 1.87952 2+ 2th
5 -195.982 2.41131 4+ 2th
6 -195.905 2.48821 0+ 2th
7 -195.707 2.68587 3+ 1th
8 -195.675 2.71837 2+ 3th
9 -195.656 2.73707 5- 1th
10 -195.522 2.87124 6+ 1th
11 -195.49 2.90381 0+ 3th
12 -195.488 2.90503 2+ 4th
13 -195.463 2.93053 1+ 1th
14 -195.456 2.93684 4+ 3th
15 -195.436 2.95758 1+ 2th
16 -195.433 2.96073 8+ 1th
17 -195.403 2.99034 4- 1th
18 -195.256 3.13684 3+ 2th
19 -195.141 3.25249 6+ 2th
20 -195.004 3.389 2+ 5th
4.4 \(p20n2\):\(^{78}_{48}Cd\)
结果应该与 \(^{78}_{30}Zn\) 相同。
BigStick States:
State E Ex J T
1 -198.39335 0.00000 0.000 9.000
2 -197.34820 1.04515 2.000 9.000
3 -196.60878 1.78457 4.000 9.000
4 -196.51381 1.87954 2.000 9.000
5 -195.98205 2.41131 4.000 9.000
6 -195.90512 2.48824 0.000 9.000
7 -195.70748 2.68588 3.000 9.000
8 -195.67498 2.71837 2.000 9.000
9 -195.65626 2.73709 5.000 9.000
10 -195.52212 2.87124 6.000 9.000
11 -195.48953 2.90382 0.000 9.000
12 -195.48833 2.90503 2.000 9.000
13 -195.46283 2.93052 1.000 9.000
14 -195.45651 2.93684 4.000 9.000
15 -195.43576 2.95759 1.000 9.000
16 -195.43261 2.96074 8.000 9.000
17 -195.40298 2.99037 4.000 9.000
18 -195.25651 3.13684 3.000 9.000
19 -195.14086 3.25250 6.000 9.000
20 -195.00434 3.38901 2.000 9.000
PandaWarrior States:
States E Ex J pi ?th
1 -198.393 0 0+ 1th
2 -197.348 1.04516 2+ 1th
3 -196.609 1.78457 4+ 1th
4 -196.514 1.87952 2+ 2th
5 -195.982 2.41131 4+ 2th
6 -195.905 2.48821 0+ 2th
7 -195.707 2.68587 3+ 1th
8 -195.675 2.71837 2+ 3th
9 -195.656 2.73707 5- 1th
10 -195.522 2.87124 6+ 1th
11 -195.49 2.90381 0+ 3th
12 -195.488 2.90503 2+ 4th
13 -195.463 2.93053 1+ 1th
14 -195.456 2.93684 4+ 3th
15 -195.436 2.95758 1+ 2th
16 -195.433 2.96073 8+ 1th
17 -195.403 2.99034 4- 1th
18 -195.256 3.13684 3+ 2th
19 -195.141 3.25249 6+ 2th
20 -195.004 3.389 2+ 5th
所以,PandaWarrior 内部的处理代码给出了正确的结果。
PVPC/src/class.cpp 中的 xpn_int::Pandya 中有一个bug, Ln2588
mononew[i][i] += nspe[i];//(mono)[i][i];
应改为
mononew[i][i] += nspe[ i - jspace.nj_p ];//(mono)[i][i];
更正以后,用 PVPC 做 Pandya,然后用 PandaWarrior 重复了上面四种情况的检验,验证通过了。