[論文レビュー] Probing high-density symmetry energy using heavy-ion collisions at intermediate energies

Gao-Chan Yong, Yafei Guo|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2020

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、核子-核子短距離相関および密度中で変化する等スピン依存性断面積を組み込んだ高度な等スピン依存性輸送モデルを提案し、中間エネルギーの重イオン衝突における高密度核対称性エネルギーを解明することを目的としている。衝突から放出される中性子対陽子比、光子、軽いクラスター、および奇妙なメソン生成が感度の高い観測量であると特定され、特に高横方向運動量領域において、対称性エネルギーの曲率がこれらの観測量に顕著に影響することを示している。これにより、高密度領域における対称性エネルギーの振る舞いについて、定性的ではあるが強固な制約が得られる。

ABSTRACT

The nuclear symmetry energy, which describes the energy difference of per proton and neutron in nuclear matter, has been extensively studied within the last two decades. Around saturation density, both the value and the slope of the nuclear symmetry energy have been roughly constrained, its high-density behavior is now still in argument. Probing high-density symmetry energy at terrestrial laboratories is being carried out at facilities that offer radioactive beams worldwide. While relevant experiments are being conducted, we theoretically developed more advanced isospin-dependent transport model including new physics such as nucleon-nucleon short-range correlations and in-medium isospin-dependence of baryon-baryon scattering cross section. New sensitive probes of high-density symmetry energy are provided, such as squeezed-out neutron to proton ratio, photon and light cluster as well as the production of mesons with strangeness or hidden strangeness. The blind spots of probing the high-density symmetry energy by sensitive observable are demonstrated. Model dependence of frequently used sensitive probes of the symmetry energy has been studied thoroughly based on different transport models. A qualitative observable of neutron to proton ratio at high emitting energy is proposed to probe the high-density symmetry energy qualitatively. The probed density regions of the symmetry energy are carefully studied. Effects of nucleon-nucleon short-range correlations on the some sensitive observables of the symmetry energy in heavy-ion collisions are explored carefully. Probing the curvature of the symmetry energy by involving the slope information of the symmetry energy at saturation point in the transport model is proposed.

研究の動機と目的

• 新しい物理的入力を組み込んだ高度な輸送モデルを用いて、高密度領域における核対称性エネルギーの理論的モデル化を改善すること。
• 対称性エネルギーの曲率および密度依存性に感受する新しい実験的観測量を特定・検証すること。
• 重イオン衝突データからの対称性エネルギーの解釈におけるモデル依存性および盲点を評価すること。
• 地上実験（重イオン衝突）と、GW170817のような中性子星合体からの宇宙物理学的制約を結びつけること。
• 高発散エネルギーの中性子対陽子比を用いて、高密度領域における対称性エネルギーの定性的だが堅牢なプローブを提供すること。

提案手法

• 自己無撞着な平均場ポテンシャルおよび密度中で変化する等スピン依存性核子-核子断面積を備えた等スピン依存性ボルツマン＝ウーリング＝ウーレンバック（IBUU）輸送モデルを開発する。
• 高運動量核子の力学をよりよく記述するため、運動量に依存するポテンシャルを用いて核子-核子短距離相関を組み込む。
• 対称性エネルギーを飽和密度の周りでテイラー展開する：$ E_{\text{sym}}(\rho) = E_{\text{sym}}(\rho_0) + L(\rho - \rho_0)/\rho_0 + \frac{1}{2}K_{\text{sym}}(\rho - \rho_0)^2/\rho_0^2 $、これにより曲率効果をパラメータライズする。
• 400–600 MeV/核子のエネルギー領域で、半中央衝突（例：Au+Au、132Sn+124Sn）をシミュレートし、観測量が$ K_{\text{sym}} $にどのように依存するかを抽出する。
• FOPI、RIBF、FRIB、FAIRからの実験データとモデル予測を比較し、感度およびモデル依存性を評価する。
• 圧縮された核子の放出および中性子と陽子の楕円運動量の差を、高密度対称性エネルギーのプローブとして分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対称性エネルギーの曲率（$ K_{\text{sym}} $）は、高横方向運動量核子放出における中性子対陽子比にどのように影響するか？
• RQ2 光子、軽いクラスター、および奇妙なメソン生成は、核対称性エネルギーの高密度領域における振る舞いに対してどの程度感受するか？
• RQ3 輸送モデルのシミュレーションからの対称性エネルギーの解釈におけるモデル依存性の不確実性は何か？
• RQ4 短距離相関の取り入れ方は、対称性エネルギー曲率に対する観測量の感受性にどのように影響するか？
• RQ5 半中央衝突において、高発散エネルギーの中性子対陽子比を用いて、対称性エネルギーの曲率を定性的にプローブできるか？

主な発見

• 600 MeV/核子のエネルギーで、$ K_{\text{sym}} = -400 $ MeVと$ K_{\text{sym}} = 0 $ MeVの間で、高横方向運動量領域における圧縮された中性子対陽子比は最大15%の差を示し、曲率$ K_{\text{sym}} $に強く感受する。
• 270 MeV/核子の132Sn+124Sn衝突において、中性子と陽子の楕円運動量の差は$ K_{\text{sym}} $に明確に感受し、異なる曲率値で20%を超える変動を示す。
• 光子および軽いクラスターの生成断面積は、特に等スピン非対称性の高い系において、高密度対称性エネルギーの感受性が高いプローブである。
• 輸送モデルに短距離相関を組み込むことで、高運動量領域における予測された中性子対陽子比が顕著に変化し、モデルの正確性においてその重要性が示された。
• 曲率$ K_{\text{sym}} $は、特に高運動量放出領域において、勾配$ L $よりも観測量に強い影響を及ぼす。
• 本研究では、一般的に用いられる観測量に盲点が存在することを特定し、モデル依存性がデータからの対称性エネルギー制約の解釈を曇らせる可能性があることを示した。