[論文レビュー] How chiral forces shape neutron-rich Ne and Mg nuclei

A. Ekström, C. Forssén+4 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2023

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、核子間の非摂動的相互作用を考慮した一階層の有効場理論（EFT）を用い、中性子過剰なネオンおよびマグネシウム同位体における核の非球面性を調べた。その結果、次善のS波接触項およびπ核結合定数が非球面性に強く寄与することが明らかになった。本研究では、34Neが明著な非球面性を示し、40Mgでは亜鉛の基底状態に近い引きつられた非球面状態と、その他の非球面状態の共存が予測された。

ABSTRACT

We compute the structure of the exotic even nuclei $^{20-34}$Ne and $^{34-40}$Mg using interactions from chiral effective field theory (EFT). Our results for the ground-state rotational bands in $^{20-32}$Ne and $^{36-40}$Mg agree with data. We predict a well-deformed $^{34}$Ne and find that $^{40}$Mg exhibits an oblate deformed band close to the prolate ground-state, indicating the emergence of shape co-existence at the neutron dripline. A global sensitivity analysis shows that the subleading singlet $S$-wave contact and a pion-nucleon coupling strongly impact deformation in chiral EFT.

研究の動機と目的

• N=20を超える中性子過剰ネオンおよびマグネシウム同位体における核の非球面性の微視的起源を理解すること。
• 中性子滴線付近の異常核の構造に、チャイral二および三核子相互作用がどのように寄与するかを調査すること。
• アンサンブルを用いたチャイral相互作用を用いた、ab initio予測における不確実性を定量化すること。
• チャイral EFTにおける主要な低エネルギー定数が非球面性に最も強く寄与する要因を、感度解析を通じて同定すること。
• 高精度な計算エミュレータおよびハートリー＝フォック法を用いて、40Mgにおける形状共存の出現を探索すること。

提案手法

• ab initio no-core shell modelおよび投影ハートリー＝フォックフレームワーク内で、チャイral二および三核子相互作用（1.8/2.0 (EM)およびΔフルNNLO）を用いた。
• 固有ベクトル継承法を用いて、励起エネルギーおよび非球面性比（R42）の高速かつ高精度なエミュレータを構築し、計算コストを削減した。
• 分散に基づく感度解析（グローバル感度解析）を適用し、R42やE(0+)、E(2+)、E(4+)などの観測量に及ぼす個々の低エネルギー定数の影響を定量化した。
• 履歴マッチングを実施し、相互作用パラメータをサンプリングし、低エネルギー定数と観測量との間の相関関係を抽出した。
• 一般化非対称固有値ソルバーを用いて、回転バンドのエネルギーを計算し、投影ハートリー＝フォックエネルギーを決定した。
• 400回の正確なハートリー＝フォック計算との比較により、エミュレータの精度を検証した。その結果、R42の精度は1%以内、励起エネルギーの精度は10 keV以内を達成した。

Figure 1: Energies of lowest $2^{+}$ and $4^{+}$ states in the even nuclei 20-34 Ne, computed using angular-momentum projected coupled-cluster with the interaction 1.8/2.0 (EM) Hebeler et al. ( 2011 ) (red diamonds with uncertainties from finite model-spaces), and posterior predictive distributions

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャイral有効場理論におけるどの項が、中性子過剰ネオンおよびマグネシウム同位体の核の非球面性に最も強く寄与するか？
• RQ2 34Neは顕著な非球面性を示すか？ また、その構造は実験データとどのように一致するか？
• RQ3 π核結合定数および次善のS波接触項が、低エネルギー準位構造に果たす役割は何か？
• RQ4 40Mgは形状共存を示すか？ もしそうであれば、競合する非球面状態バンドの性質は何か？
• RQ5 中性子過剰ネオンおよびマグネシウムの波動関数およびエネルギー準位構造は、20Neと比べて非球面性駆動相関の観点からどのように異なるか？

主な発見

• 34Neの予測された基底状態回転バンドは、明確な非球面性を示し、軽いNe同位体の実験的傾向と整合的である。
• 40Mgでは、引きつった基底状態に近い、低エネルギーの引きつった非球面状態バンドが存在し、中性子滴線付近で形状共存が出現していることが示された。
• 次善のS波接触項（C̃3S1）およびπ核結合定数（c2）が、基底状態エネルギーおよびR42比の分散を支配し、20Neおよび32Neでは90%以上の不確実性を説明している。
• 32Neおよび34Mgでは、感度がより多くの低エネルギー定数に分散されており、滴線付近での構造的複雑性が顕著に現れている。
• 中性子過剰NeおよびMgの基底状態および励起状態エネルギーは、20Neとは異なる感度パターンを示しており、波動関数構造の違いが示唆された。
• エミュレータの精度は、R42で1%以内、励起エネルギーで10 keV以内であり、大規模な感度解析にエミュレータを用いることの妥当性が裏付けられた。

Figure 2: Energies of lowest $2^{+}$ and $4^{+}$ states in even nuclei 34-40 Mg, as a function of the oscillator frequency and for various model spaces, computed using projected Hartree-Fock with the chiral interaction 1.8/2.0 (EM) Hebeler et al. ( 2011 ) and compared to data (dashed horizontal line