[論文レビュー] Influence of the nuclear symmetry energy on the structure and composition of the outer crust

X. Roca-Maza, J. Piekarewicz+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2011

Nuclear Materials and Properties参考文献 2被引用数 50

ひとこと要約

本研究は、非付着性の中性子星における外核の組成と構造に、核対称性エネルギーの密度依存性が与える影響を調査する。非相対論的および相対論的平均場モデルを用いて、より硬い対称性エネルギーが重い原子核における中性子皮膜の厚さを増し、とくにN=50およびN=82の魔法数プラトー付近で、より多様で中性子過剰な核種の形成を促進することを示した。これは、$^{208}$Pbにおける中性子皮膜厚さと核外の多様性の間の直接的な相関関係を強調している。

ABSTRACT

We review and extend with nonrelativistic nuclear mean field calculations a previous study of the impact of the nuclear symmetry energy on the structure and composition of the outer crust of nonaccreting neutron stars. First, we develop a simple "toy model" to understand the most relevant quantities determining the structure and composition of the outer crust: the nuclear symmetry energy and the pressure of the electron gas. While the latter is a well determined quantity, the former ---specially its density dependence--- still lacks an accurate characterization. We thus focus on the influence of the nuclear symmetry energy on the crustal composition. For that, we employ different nuclear models that are accurate in the description of terrestrial nuclei. We show that those models with stiffer symmetry energies ---namely, those that generate thicker neutron skins in heavy nuclei and have smaller symmetry energies at subnormal nuclear densities--- generate more exotic isotopes in the stellar crust than their softer counterparts.

研究の動機と目的

• 核対称性エネルギーの密度依存性が中性子星外核の構造および組成に与える影響を理解すること。
• 対称性エネルギーの変動が、核外における中性子過剰核種の安定性および順序に与える影響を調査すること。
• 異なる核モデルにおける対称性エネルギーの硬さの違いが、核外組成に与える感受性を検証すること。
• 中性子$^{208}$Pbにおける中性子皮膜厚さと外核における多様性の度合いとの間の定量的関係を確立すること。
• 高精度な核質量表（Möller-NixおよびDuflo-Zuker）をベンチマークとして用いて、結果の妥当性を検証すること。

提案手法

• 核対称性エネルギーと電子ガス圧の役割を分離するために、簡略化された「おもちゃモデル」を構築した。
• 地上核データに正確に適合した非相対論的（SLy4、D1S）および相対論的（NL3、FSUGold）平均場モデルを用いた。
• 電荷中性およびベータ平衡の制約の下で化学ポテンシャルを最小化することで、外核の基底状態組成を計算した。
• 中性子過剰物質の状態方程式を用いて、$\sim10^4$ g/cm³から中性子ドリップまでの密度範囲で、核種の順序を決定した。
• 対称性エネルギーの傾きパラメータ$L$と関連づけるために、$^{208}$Pbにおける中性子皮膜厚さを計算した。
• 結果を2つの高精度核質量表（Møller-NixおよびDuflo-Zuker）と照合し、質量モデル間での一貫性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 核対称性エネルギーの密度依存性は、中性子星外核における核種の順序にどのように影響を与えるか？
• RQ2 対称性エネルギーは、特にN=50およびN=82の魔法数付近で、中性子過剰核種の安定性をどのように決定づけるか？
• RQ3 中性子$^{208}$Pbにおける中性子皮膜厚さは、外核における多様核種の形成度合いとどの程度相関するか？
• RQ4 相対論的と非相対論的モデルの両方で、対称性エネルギーの硬さの違いが、核外組成にどのように影響を与えるか？
• RQ5 高精度核質量表（Møller-Nix、Duflo-Zuker）は、対称性エネルギーの仮定が異なる条件下でも、外核構造を信頼性高く予測できるか？

主な発見

• より硬い対称性エネルギー（$L$の値が大きい）を持つモデルでは、$L$と中性子皮膜厚さの相関関係を確認したうえで、$^{208}$Pbにおける中性子皮膜がより厚くなる。
• より硬い対称性エネルギーは、$N=50$プラトーの出現を早期にし、NL3モデルでは$^{78}_{28}$Niのようなより多様な核種の形成を促進する。
• $N=50$プラトーは広い密度範囲にわたり安定しており、$N=82$プラトーへの移行の前には陽子分率が著しく低下する。
• $N=82$プラトーはより高い密度で達成され、その安定性は通常密度未満の領域における対称性エネルギーの振る舞いに敏感である。
• おもちゃモデルが予測する外核底部の電子分率は、ドリップライン核$^{118}$Krと数パーセントの誤差内で一致しており、モデルの正確性が裏付けられた。
• Møller-NixおよびDuflo-Zuker核質量表を用いて得られた結果はほとんど区別できないため、形式およびモデル予測の堅牢性が確認された。