[論文レビュー] Experimental Nuclear Masses and the Ground State of Cold Dense Matter

P. Haensel, Bruno Pichon|ArXiv.org|Oct 4, 1993

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 65

ひとこと要約

本稿では、中性子が豊富な核の最新実験的質量を用いて、密度が約10^11 g cm⁻³までの中性子星内部のような冷たい高密度物質の基底状態の組成と状態方程式を決定する。修正されたWigner-Seitzモデルを用い、電子のスクリーニングおよび結合エネルギー補正を改善することで、N=50殻閉じ効果が多数の理論的質量式が予測するよりも弱いことが示され、中性子星内部における核殻効果に関する従来の仮定に疑問を呈する。

ABSTRACT

We study the consequences of recent progress in the experimental determination of masses of neutron rich nuclei for our knowledge of the ground state of cold dense matter. The most recent experimental data determine the ground state of cold dense matter up to $ ρ\simeq 10^{11}~{ m g~cm^{-3}} $. The composition and the equation of state of the ground state of matter, in this density interval, are calculated.

研究の動機と目的

• 最新の実験的原子核質量を用いて、冷たい高密度物質の基底状態の組成と状態方程式を決定すること。
• 中性子が豊富な原子核質量の実験的不確実性が、予測された組成と状態方程式に与える影響を評価すること。
• 理論的質量式（特にN=50およびN=82に対して）が予測する強い殻効果が、現在の実験データと整合するかを検証すること。
• 電子スクリーニングおよび交換補正の役割が、高密度物質モデルにおける状態方程式の精度向上に与える影響を評価すること。
• 高密度においてN=50およびZ=28核が存続する現象が、実験的事実であるのか、理論的外挿の結果であるのかを調査すること。

提案手法

• 各密度における安定な核種を特定するために、核子あたりのギブズエネルギーを最小化するように、修正されたWigner-Seitzセルモデルを用いて計算する。
• 核結合エネルギーW_Nは、電子の静止エネルギーおよび結合エネルギー補正を含めた実験的原子質量から導出され、BPSモデルとは異なり、これに起因する。
• 電子エネルギー密度ε_eは、非一様な電子密度効果および交換補正を含み、BPS近似を改善している。
• 圧力連続条件を用いて状態方程式を計算し、高密度領域では電子圧力が支配的である。
• 核の組成遷移は、圧力連続性に基づき急激な密度ジャンプとしてモデル化され、ジャンプの大きさはΔn_b / n_b ≈ (Z/A)(A'/Z') - 1で与えられる。
• 原子核質量はAudi（1992, 1993）による最新の実験的評価に基づき、不確実性を伝搬させて状態方程式への影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の実験的原子核質量は、密度ρ ≈ 10^11 g cm⁻³までの中性子星内部のような冷たい高密度物質の組成をどの程度制限するか？
• RQ2 実験的データと理論的質量式の両者において、中性子が豊富な核におけるN=50殻閉じ効果の強さはどのように比較されるか？
• RQ3 改善された電子スクリーニングおよび交換補正が、高密度物質の状態方程式に与える影響は何か？
• RQ4 実験的原子核質量の不確実性は、予測された状態方程式および組成への不確実性にどのように伝搬されるか？
• RQ5 高密度領域でN=82核が優勢であることは、理論的外挿の結果に起因する誤りである可能性はあり得るか？

主な発見

• 中性子が豊富な核の測定質量に基づき、冷たい高密度物質の基底状態は、ρ_max^exp ≈ 10^11 g cm⁻³まで実験的に制限されるようになった。
• Z/A ≈ 0.36–0.39の領域におけるN=50殻閉じ効果は、多数の理論的質量式が予測するよりも実験的データに基づくと弱いことが判明した。
• 5×10^10 g cm⁻³を超える高密度領域では、N=50核の存続性に疑問が生じ、理論的予測と比べて殻効果が顕著に小さくなっている。
• 実験的質量の上限値を用いる場合、平均実験的質量を用いる場合と比較して、基底状態組成における最初の非実験的核がより低い密度で現れる。これにより、その領域における状態方程式の不確実性が最大数パーセントまで上昇する。
• 高密度領域におけるN=82殻閉じ効果は、理論的外挿によって過大評価されている可能性があり、代替的な効果（例：Z=40準殻閉じ）が支配的である可能性がある。
• モデルは、電子スクリーニングおよび交換補正が、特に電子が超相対論的となる高密度領域で、状態方程式の精度を顕著に向上させることを示している。