[論文レビュー] Structure effects on the giant monopole resonance and determinations of the nuclear incompressibility

Kevin Howard|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2020

Nuclear physics research studies参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本学位論文は、RCNPにおける100 MeV/u α粒子非弾性散乱を用いてモリブデンおよびカルシウム同位体におけるイsoスカラー巨大モノポール共振（ISGMR）の構造効果を調査し、マーカフ・チェーン・モンテカルロを用いた多重極分解を採用して不確かさを定量化した強度分布を抽出した。理論的予測と比較して、空殻核におけるISGMRエネルギーの一貫した過大評価が確認され、90Zrのようなドーリー・マジック核を越えた「柔らかさ」が裏付けられた。また、正の $K_\tau$ 値を除外することで、核の体積弾性率非対称項における矛盾を解消し、$K_\tau = -510 \pm 115$ MeV を確立した。

ABSTRACT

Giant resonances are collective nuclear vibrations which provide a unique laboratory setting to probe the bulk properties of the nuclear force. One of the isoscalar compressional modes -- the isoscalar giant monopole resonance (ISGMR) -- is useful in constraining the equation of state (EoS) of nuclear matter. For example, the nuclear incompressibility, $K_\infty$, is a fundamental quantity in the EoS and is directly correlated with the energies of the ISGMR in finite nuclei. Previous work has shown that interactions with $K_\infty$ which reproduce the energies of the ISGMR in $^{208}$Pb and $^{90}$Zr well, overestimate those of the tin and cadmium nuclei. To further investigate where this "softness" appears in moving away from the doubly-closed nucleus $^{90}$Zr, and how this effect develops, the first portion of this thesis consists of measurements of the ISGMR in the molybdenum isotopes. Comparison of the ISGMR strengths with Random Phase Approximation calculations shows that these nuclei have ISGMR energies which are overestimated to a similar degree as seen in the tin and cadmium nuclei, while the strength of $^{208}$Pb is precisely reproduced. This suggests clearly that the molybdenum nuclei exhibit the same open-shell softness which has been documented previously. The ISGMR in isotopes encompassing a broad range of proton-neutron asymmetries constrains the dependence of the nuclear incompressibility on the isospin asymmetry, as quantified by the asymmetry term, $K_τ$. To reconcile previously-published and highly concerning conclusions that $K_τ= + 582$ MeV, the second portion of this thesis is focused upon independently studying this claim. A simultaneous measurement of the ISGMR in $^{40,42,44,48}$Ca has excluded the possibility of a positive value for $K_τ$, and found consistency with previous data, placing $K_τ$ at $-510 \pm 115$ MeV.

研究の動機と目的

• スズ（Sn）、カドミウム（Cd）、および90Zrのような閉殻核とは異なり、理論的予測から逸脱するISGMRエネルギーの『柔らかさ』の起源を解明すること。
• 90付近の質量数領域を超えて、モリブデン同位体（94-100Mo）においても同様の柔らかさ効果が見られるかどうかを検証すること。
• カルシウム同位体における核の体積弾性率非対称項 $K_\tau$ に関する矛盾する実験的結果を解消するため、40,42,44,48CaにおけるISGMRを同時に高精度で測定すること。
• マーカフ・チェーン・モンテカルロに基づく多重極分解解析を用いて、不確実性を定量化した信頼性の高いISGMR強度分布および重心エネルギーを抽出すること。

提案手法

• RCNP施設において、94-100Moおよび40-48Caを100 MeV/uの非弾性α散乱で照射し、グランド・レイデン磁気分光器を用いて実験を実施した。
• 角度分布の多重極分解にマーカフ・チェーン・モンテカルロフレームワークを適用し、不確実性を完全に定量化した強度分布の信頼性の高い抽出を可能にした。
• 反応ダイナミクスをモデル化するため、歪み波ボーン近似（DWBA）を用い、正確な角度分布シミュレーションに必要な光学モデルパラメータを抽出した。
• カルシウム同位体におけるISGMRエネルギーのレプトドルミアス解析を実施し、エネルギー系の系統的傾向を用いて、体積弾性率のスピン非対称依存性 $K_\tau$ を抽出した。
• 40,42,44,48CaにおけるISGMRを同時に測定することで、以前に報告された正の $K_\tau$ 値に関する議論を独立に検証した。
• 24Mg(α,α')を用いてエネルギースケールをキャリブレーションし、汚染および系統的誤差を最小限に抑える厳密なデータ還元を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スニペット（Sn）およびカドミウム（Cd）で観測されたISGMRエネルギーの柔らかさが、90付近の質量数領域におけるモリブデン同位体でも同様に見られるか？
• RQ2 モリブデン同位体スピンチェーンに沿ってISGMRエネルギーはどのように変化するのか？ これは、空殻核における核の体積弾性率に何を示唆するか？
• RQ3 カルシウム同位体における非対称項 $K_\tau = +582$ MeV として報告された値が、新規の高精度データと整合するか？
• RQ4 核の体積弾性率非対称項 $K_\tau$ の真の値は何か？ また、核の状態方程式におけるスピン依存性とどのように関係するか？
• RQ5 スピンギャップやペアリング相関といった構造的効果が、二重閉殻核から離れた核におけるISGMR応答にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 94-100MoにおけるISGMRエネルギーは、理論的モデルによって一貫して過大評価されており、スニペット（Sn）およびカドミウム（Cd）で観測された「柔らかさ」と整合的である。 これは、モリブデン同位体に対しても同様の効果が成立することを確認した。
• モリブデンにおけるISGMR強度分布には顕著なフラグメンテーションは認められず、抽出された重心エネルギーは予測値よりも系統的に高くなる傾向にあり、空殻核における柔らかさ効果を示している。
• 40,42,44,48CaにおけるISGMRの同時測定により、非対称項 $K_\tau$ の正の値が除外され、以前に報告された $K_\tau = +582$ MeV がデータと整合しないことが判明した。
• 新規データから $K_\tau = -510 \pm 115$ MeV が得られ、これは以前の結果と整合し、分野における矛盾を解消した。
• カルシウム同位体におけるISGDRおよびISGQR応答は中性子数の増加に伴いフラグメンテーションが増加するが、モーメント比からは20 MeV以上で安定した圧縮応答が示唆された。
• MCMCを用いた多重極分解により、不確実性を定量化した信頼性の高い強度分布が得られ、ISGMR重心エネルギーおよびEWSR積分の信頼性の高い抽出が可能になった。