[論文レビュー] Symmetry energy at high densities from neutron/proton flow excitation functions

P. Russotto, A. Le Fèvre+10 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、GSI/FAIRにおけるビームタイムキャンペーンを提案し、197Au+197Au衝突における中性子／陽子の楕円流励起関数を用いて、2ρ₀までの核対称性エネルギーの密度依存性を制約することを目的としている。NeuLAND、KRAB、FARCOSといった高度な検出器を用いて中性子、陽子、同位体分解能を持つ軽い核種の流れを測定することで、対称性エネルギーの勾配パラメータLと曲率パラメータK_symをきめ細かく制約し、中性子星のモデル構築および核輸送理論に重要な情報を与える。

ABSTRACT

Determination of the high density behavior of the symmetry energy through the simultaneous measurement of elliptic flow excitation functions of neutrons, protons and light clusters is proposed. The elliptic flow developed in relativistic heavy ion collisions has been proven theoretically and experimentally to have a unique sensitivity and robustness in probing the symmetry energy up to around $2 ρ_{o}$. The knowledge of the density dependence of the symmetry energy in a broad range of densities will provide a missing link for astrophysical predictions of the neutron star mass--radius relation. In particular, the data colud provide tighter constraints on the slope parameter L and entirely new limits on $K_{sym}$, the currently poorly constrained symmetry energy curvature parameter.

研究の動機と目的

• 相対論的重イオン衝突における楕円流励起関数を用いて、2ρ₀までの高密度領域における対称性エネルギーの振る舞いを特定すること。
• 対称性エネルギーの勾配パラメータLに対するよりきめの細かい制約と、これまで弱く制約されてきた曲率パラメータK_symに対する新たな制限を提供すること。
• 中性子、陽子、および軽い核種の放射の相関を測定することで、核輸送モデルの検証と精緻化を図ること。
• X線望遠鏡および重力波検出器からの天体観測と併せて、高精度な実験データを用いて高密度核物質の性質を補完すること。
• KRAB、FARCOS、NeuLANDといった新規検出器システムの導入と運用を進め、高密度核物質研究における分解能とデータ品質を向上させること。

提案手法

• 197Au+197Au衝突における中性子、陽子、および同位体分解能を持つ軽い核種（d, ³He, ³H）の楕円流励起関数を、250、400、600、1000 AMeVのビームエネルギーで測定する。
• NeuLAND検出器を用いて高分解能の中性子および陽子分光測定を実施し、元素分解能に比べて約30％高い密度にまで到達可能となる。
• KRABプラスチックシンチレーター円筒を用いて、多重度に基づく中心度トリガーとθ > 30°領域における高分解能の反応面再構成を実現する。
• R3B新規タイムオブフライト壁（TOFD）およびSTART検出器を用いて、前方および後方角度におけるイベントごとの中心度および反応面決定を実施する。
• FARCOSアレイを用いて高角度分解能の粒子間相関関数と発光源の干渉的特徴を特定する。
• KRATTA3重望遠鏡を用いて中間ラピディティ領域における軽い荷電粒子の正確な同定を実現し、パンチスラッグなしに同位体を明確に分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビームエネルギーおよび密度に応じて中性子対陽子の楕円流比はどのように変化するか。また、これは高密度領域における対称性エネルギーに何を明らかにするか？
• RQ2 測定された流れ励起関数から得られる、対称性エネルギーの勾配パラメータLおよび曲率パラメータK_symの制約は何か？
• RQ3 中性子、陽子、および軽い核種の放射の相関は、対称性エネルギーの密度依存性にどのように依存するか？
• RQ4 剛性と柔軟性を持つ対称性エネルギーパラメータ化を用いた輸送モデルは、全エネルギー範囲にわたる観測された流れの傾向をどの程度再現できるか？
• RQ5 軽い核種の同位体組成および生成断面積は、高温核源の熱力学的性質および放射ダイナミクスにどのような情報を与えるか？

主な発見

• 400 AMeVは、最大のスイープアウトとNeuLANDにおける明確な粒子同一定性を有するため、基準測定に最適なエネルギー点と特定された。
• モデル計算に基づき、250 AMeVは対称性エネルギーの曲率パラメータK_symに対する感度が最も高くなると予測された。
• 600 AMeVは、対称性エネルギーの勾配パラメータLに対する感度を最大にする予測であり、E_sym(ρ)の振る舞いに対する重要な制約を提供する。
• 1000 AMeVでは、最高の密度に達し、中性子／陽子の楕円流比がE_symパラメータ化に約15％の感度を示すと予想され、高密度領域の制約が可能となる。
• KRAB検出器はヘリウムスリーブを用いることでδ電子の背景を約30倍低減し、過去の実験と比較してデータ品質を著しく向上させる見込みである。
• NeuLAND、KRAB、FARCOS、KRATTAの組み合わせにより、粒子同一定性および流れ測定において類稀な分解能が得られ、LおよびK_symの信頼性の高い抽出が可能になると予想される。