[論文レビュー] Off-Fermi Shell Nucleons in Superdense Asymmetric Nuclear Matter

Michael McGauley, Misak Sargsian|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2011

Nuclear physics research studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、超密な非対称核物質におけるフェルミ殻外の核子を調査し、核密度が飽和密度の3倍を超えると、特に少数成分である陽子が強化されたテンソル駆動型pn相関のため、高運動量尾部を支配することを示している。包含的電子散乱データからフィットされたSRC確率を用いて、3ρ₀で陽子の9分の1が高運動量状態に存在する一方、中性子はわずか2%にとどまることを明らかにした。これは、中性子星の冷却や超伝導性に顕著な影響を及ぼすものである。

ABSTRACT

Recent observations of the strong dominance of proton-neutron (pn) relative to pp and nn short-range correlations (SRCs) in nuclei indicate on possibility of unique new condition for asymmetric high density nuclear matter, in which the pp and nn interactions are suppressed while the pn interactions are enhanced due to tensor interaction. We demonstrate that for sufficiently asymmetric case and high densities the momentum distribution of the smaller p-component is strongly deformed with protons increasingly populating the momentum states beyond the Fermi surface. This result is obtained by extracting the probabilities of two-nucleon (2N) SRCs from the analysis of the experimental data on high momentum transfer inclusive electro-nuclear reactions. We fitted the extracted probabilities as a function of nuclear density and asymmetry and used the fit to estimate the fractions of the off-Fermi shell nucleons in the superdense nuclear matter relevant to neutron stars. Our results indicate that starting at three nuclear saturation densities the protons with fractional densities 1/9 will populate mostly the high momentum tail of the momentum distribution while only 2% of the neutrons will do so. We discuss the implications of this condition for neutron stars and emphasize that it may be characteristic to any asymmetric two component Fermi system with suppressed central and enhanced short-range tensor interactions between the two components.

研究の動機と目的

• 超密な非対称核物質における陽子および中性子の運動量分布を理解すること、特にフェルミ殻外の核子に焦点を当てる。
• 短距離相関（SRC）に関する実験的データを用いて、高運動量状態に存在する核子の割合を定量化すること。
• 高運動量尾部における陽子の豊富化が中性子星物理学（冷却および超伝導性）に与える影響を調査すること。
• 同一スピン粒子間相互作用が抑制され、異種粒子間相互作用が強化された非対称2成分フェルミ系の普遍的枠組みを確立すること。
• 有限核から無限核物質および中性子星へのSRC確率の外挿の妥当性と限界を評価すること。

提案手法

• 高運動量移動エネルギー領域における包含的電子散乱（A(e,e′)X）データ（xBj > 1）から2核子SRC確率を抽出し、フェルミ運動量を超える運動量を持つ核子を選別した。
• 実験データを用いて、核密度ρおよび非対称度y = |1 − 2xp|の関数としてSRC確率a₂(ρ, y)をフィッティングした。AおよびZの異なる複数の核種のデータを用いた。
• 2N SRCモデルを衝撃近似のもとで適用し、Q² ≫ mN²の条件下でα ≈ xBjを用いて高運動量核子を分離した。
• ドデュートンの運動量分布nₚₙ(p)を基準として、nₚₙ(p) ∝ 1/(2xp/n) · a₂(A,y) · nₚₙ(p)の関係を用いて核内の高運動量分布をモデル化した。
• a₂(ρ, y)を高密度領域に外挿することで、無限核物質への応用を拡張し、A依存性が密度依存性を反映していると仮定した。
• pp/nn SRCや3N SRCの無視された寄与の影響を評価し、外挿における誤差を30%程度と見積もった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 核密度とスピン非対称度が増加する中で、超密な非対称核物質における陽子および中性子の高運動量分布はどのように変化するか？
• RQ2 テンソル支配のpn相互作用が、300–600 MeV/cの運動量領域でppおよびnn相関をどの程度抑制するか？
• RQ3 核密度が飽和密度の3倍を超える領域で、陽子のフェルミ殻外状態に占める割合はどの程度か？
• RQ4 高運動量陽子の支配的状態が中性子星の冷却および超伝導性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 核内で観測されたSRC挙動は、テンソル強化された異種粒子間相互作用を持つ非対称2成分フェルミ系において普遍的挙動に一般化可能か？

主な発見

• 核密度が飽和密度の3倍（3ρ₀）を超える領域では、陽子のうち1/9が運動量分布の高運動量尾部に存在する一方、中性子はわずか2%である。
• 非対称度が増加するにつれて高運動量陽子の割合が増加し、支配的となるテンソル駆動型pn相関により、フェルミ表面をはるかに超えた陽子の集団的分布が生じる。
• 陽子が2N SRC状態にある確率は、その相対的豊度の逆数に比例し、モデル式nₚ(p) ∝ 1/(2xₚ) · a₂(ρ,y) · nₚₙ(p)と整合的である。
• 高運動量状態における陽子の支配的状態により、陽子分率xp < 1/9であってもDirect URCA過程が可能となり、標準的な閾値を上回る中性子星冷却が継続する。
• 高運動量状態における陽子の占有は、エネルギーギャップのなめらかさを損なうため、陽子の超伝導性を抑制し、超伝導ペアリング機構を変化させる。
• 結果から、中性子星の核において、高運動量支配に起因する「中性子皮膚」効果が生じ、陽子が核に集中する可能性があり、またS=1、I=0のテンソル状態におけるスピン非対称性の固定化により、状態方程式が硬くなる可能性がある。