近日，国际天体物理领域权威期刊《天体物理杂志》【The Astrophysical Journal 985, 238 (2025)】刊发了上海交通大学物理与天文学院陈列文课题组题为“High-density Symmetry Energy: A Key to the Solution of the Hyperon Puzzle”的文章。该工作提出如果核物质对称能随密度的变化展现出“先软后硬”的高密行为，则可以自然地解决著名的“超子疑难”(hyperon puzzle)。

致密核物质状态方程，尤其是表征其同位旋相关性的核物质对称能，是当前核物理与天体物理的一个重要前沿交叉课题。中子星作为自然界最致密的一类天体，其内部主要由极端丰中子的致密核物质组成，其密度可高达甚至超过6ρ0(ρ0为核物质饱和密度，大概对应于重原子核中心的密度，约为水的密度的270万亿倍)。这种极端高密和高同位旋的物质环境，使中子星成为人们研究致密核物质性质，尤其是对称能高密行为的绝佳对象。随着中子星天文观测多信使时代的到来，人们可以通过双中子星并合引力波、中子星潮汐极化率、质量-半径关系等，来约束致密核物质的状态方程。另一方面，由于观测手段的限制以及高密量子色动力学(QCD)相图的不确定，目前对中子星内部组成还很不清楚，不能排除在这种极端物理环境中存在除核子和轻子之外其它种类的粒子，如超子、Δ共振、介子凝聚以及退禁闭的夸克等。该工作针对中子星内部存在超子(Λ,Σ,Ξ)的情况进行了详细研究。

长期以来，人们普遍认为随着核物质密度的增加，核子化学势升高，当核子化学势大于超子的化学势时，超子将会在核物质中出现。如果中子星内部存在超子，那么超子的出现会软化中子星物质的状态方程，从而降低中子星的最大质量，以至于与当前天文学观测到的约2倍太阳质量的中子星相矛盾，这就是所谓的“超子疑难”。这一问题本质上涉及到包含超子的致密物质状态方程。目前，人们对超子-核子相互作用以及超子-超子相互作用的认识主要来源于超核实验数据，以及手征有效场论和格点QCD等微观理论计算，但仍然存在很大的不确定性，尤其是在高密区。同时，人们对致密核物质的状态方程，尤其是对称能的高密行为，还很不清楚，这使“超子疑难”更具挑战性。该工作假定超子-核子和超子-超子相互作用与核子-核子相互作用具有相似的结构，但相互作用强度不一样，通过拟合相关实验值和微观理论计算结果，从而确定超子相互作用参数。

该项工作中，陈列文课题组提出，如果对称能在约2-3ρ0范围内较软，而在4ρ0以上较硬(这里的“硬”和“软”是指随密度增长的“快”和“慢”)，则可以推高核物质中超子开始出现的临界密度，从而减缓由于超子出现而导致的核物质状态方程的软化，进而支撑起更大质量的中子星，因此可以解决“超子疑难”。如果对称能具有上述的“先软后硬”的高密行为，则考虑超子后的理论计算结果如图1所示，可以同时满足天文观测给出的中子星质量-半径关系(特别是2倍太阳质量的中子星约束)和1.4倍太阳质量中子星潮汐极化率的约束，还有地面实验以及微观理论计算的相关约束。此外，考虑超子自由度会自然导致中子星物质的声速在3-4ρ0附近出现一个明显的峰值，这一结果与基于中子星观测的模型无关的贝叶斯推断能很好地吻合。

该工作中发展的描述含有超子的有效核相互作用也可以用于核结构计算、重离子碰撞微观输运模型模拟、超新星爆发以及双中子星并合等。随着国内外更多大科学装置的建成和运行，未来能够得到更丰富的中子星相关的观测结果和超子相互作用的实验数据，从而可以更准确地研究中子星“超子疑难”等相关问题。这些研究对于理解高密QCD相图这一重大科学问题有重要意义。

图 高阶对称能参数Ksym和Jsym对中子星质量-半径关系(a, b)、对称能(c, d)、纯中子物质状态方程(e, f)和声速平方(g, h)的影响。

该工作的论文第一作者是上海交通大学物理与天文学院博士生叶俊廷，通讯作者为陈列文教授，共同作者还有意大利国家核物理研究所(INFN)博士后王睿和上海交通大学物理与天文学院博士生王斯沛。该研究得到了科技部SKA专项、国家自然科学基金重点项目以及上海市科委项目的支持。