[論文レビュー] Laboratory Tests of Low Density Astrophysical Equations of State

Lei Qin, K. Hagel+26 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2011

Nuclear physics research studies参考文献 33被引用数 77

ひとこと要約

本研究では、47 A MeV の重イオン衝突を用いて低密度核物質におけるアルファ粒子クラスタリングを測定し、熱的凝集モデルを用いてアルファ形成の平衡定数（Kc）を抽出した。実験的 Kc 値は密度 ρ = 0.002–0.03 fm⁻³ および温度 T = 5–11 MeV の範囲で、天体物理学的状態方程式を強く制約し、中間状態効果（例：NSE）を無視するモデルや特定のスキュルム相互作用を用いるモデルは失敗することが示されたが、QSM および低圧縮率スキュルムモデルは良好な一致を示した。

ABSTRACT

Clustering in low density nuclear matter has been investigated using the NIMROD multi-detector at Texas A&M University. Thermal coalescence modes were employed to extract densities, $ ho$, and temperatures, $T$, for evolving systems formed in collisions of 47 $A$ MeV $^{40}$Ar + $^{112}$Sn,$^{124}$Sn and $^{64}$Zn + $^{112}$Sn, $^{124}$Sn. The yields of $d$, $t$, $^{3}$He, and $^{4}$He have been determined at $ ho$ = 0.002 to 0.032 nucleons/fm$^{3}$ and $T$= 5 to 10 MeV. The experimentally derived equilibrium constants for $\alpha$ particle production are compared with those predicted by a number of astrophysical equations of state. The data provide important new constraints on the model calculations.

研究の動機と目的

• 低密度核物質におけるアルファ粒子形成の平衡定数を実験的に決定すること。
• 予測された vs. 測定されたアルファクラスタリング生成率を比較することにより、さまざまな天体物理学的状態方程式（EOS）の妥当性を検証すること。
• 低密度核物質におけるパウリの排他原理や除外体積などの中間状態効果の役割を評価すること。
• モデルに依存しない観測量としての平衡定数 Kc(α) を用いて、アルファ粒子質量分率を予測するモデルを制約すること。

提案手法

• NIMROD 計測器を用いて 47 A MeV の 40Ar + 112,124Sn 及び 64Zn + 112,124Sn 衝突を実施し、低密度核物質をプローブした。
• クーロン補正を施したメクジアンの熱的凝集モデルを用い、測定された粒子および陽子の微分断面積から凝集パラメータ P0 を抽出した。
• 二重同位体生成率比（例：3He/3H、4He/3He）を用いて、放射時の温度を推定した。
• 中間速度源（リング 9、38°–52°）を選択し、標的／プロジェクタイル様フラグメントによる汚染を最小限に抑えた。
• 測定された生成率から平衡定数 Kc(α) を計算し、多数の EOS モデルの予測と比較した。
• 4πネutron カリメータおよび荷電粒子アレイを用いて多重度を測定し、激しい衝突を選別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験的に導かれたアルファ粒子形成の平衡定数は、さまざまな天体物理学的状態方程式の予測とどのように比較されるか？
• RQ2 低密度・中程度温度の核物質におけるどのモデルが観測されたアルファクラスタリングを最もよく再現するか？
• RQ3 パウリの排他原理や除外体積などの中間状態効果が、アルファクラスタリングの予測にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 理論モデルが仮定するように、平衡定数 Kc(α) は陽子分率や競合種に依存しないまま保たれるのか？

主な発見

• 実験的に導かれた平衡定数 Kc(α) は、最低密度（ρ ≈ 0.002 fm⁻³）において NSE 予測よりも顕著に高く、標準的な NSE モデルの不成立を示している。
• FSUGold や NL3 相互作用（例：Shen ら [9]）およびバーリアモデル（Schwenk & Horowitz [5]）を用いるモデルは、ρ > 0.01 fm⁻³ の範囲で実験データよりも顕著に高い Kc(α) 値を予測し、不良な一致を示している。
• 更新された運動量依存性結合エネルギーを有する QSM モデルは、測定された密度範囲全域で実験データと良好な一致を示した。
• K0 = 180 および 220 MeV のスキュルム相互作用を用いた Lattimer-Swesty モデルは、180 MeV の2点を除き良好な一致を示したが、高密度領域でわずかなずれが見られた。
• 除外体積効果を組み込んだ Hempel & Schaffner-Bielich [8] のモデルは、高密度領域で実験データと良好に一致し、物理的妥当性を示唆している。
• 中間状態効果（例：NSE）を無視するモデルは、実験データによって強く除外され、パウリの排他原理および物質中での修正を組み込む必要性が強調された。