[論文レビュー] The neutron skin of $^{208}$Pb and the density dependence of the symmetry energy

Francesca Sammarruca, Liu, Pei|ArXiv.org|Dec 29, 2008

Nuclear physics research studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、現実的な核子-核子相互作用に基づく微視的核エネルギー汎関数とDirac-Brueckner-Hartree-Fock (DBHF)フレームワークを用いて、$^{208}$Pbの中性子皮殻と対称性エネルギーの密度依存性の相関を調査する。中性子皮殻の厚さは対称性圧力$L$と強く相関しており、中性子皮殻の高精度測定（0.05 fmまで）が、特に1.4$M_\odot$の中性子星の半径に関連して、異なる微視的モデルの区別に寄与することを示している。主な発見は、$L$が大きいほど一般に中性子皮殻が厚くなるが、中性子星の半径は対称的および非対称的物質の両方の寄与に依存するため、モデル間で中性子皮殻の厚さと中性子星半径の間に単調でない関係が生じることである。

ABSTRACT

We explore neutron skin predictions for $^{208}$Pb in relation to the symmetry pressure in various microscopic models based on realistic nucleon-nucleon potentials and either the Dirac-Brueckner-Hartree-Fock approach or the conventional Brueckner-Hartree-Fock framework implemented with three-body forces. We also discuss the correlation between the neutron skin and the radius of a fixed-mass neutron star.

研究の動機と目的

• 現実的な核子-核子相互作用に基づく微視的核エネルギー汎関数を用いて、$^{208}$Pbの中性子皮殻厚さを調査すること。
• 対称性エネルギーの密度依存性の主要パラメータである対称性圧力$L$との間の相関を調査すること。
• 異なる微視的モデルにおいて、$^{208}$Pbの中性子皮殻と1.4$M_\odot$中性子星の半径との関係を検討すること。
• 近い将来のパリティ破れ電子散乱実験（例：ジェファーソンラボ）が、高精度の中性子皮殻測定を通じて対称性エネルギーを制約する可能性を評価すること。

提案手法

• 研究では、半経験的質量公式に基づく半経験的エネルギー汎関数を採用し、スピン不均衡状態方程式と表面エネルギー項を組み込む。
• エネルギー汎関数には、$f_0 \approx 70$ MeV fm$^5$に比例する勾配項と、$\beta$依存項のわずかな寄与が含まれるが、その効果が無視できるため無視されている。
• 陽子および中性子の密度分布は、Thomas-Fermi分布を用いて計算され、エネルギー汎関数の下でパラメータが最適化される。DBHF状態方程式はBonn B核子-核子ポテンシャルから導出される。
• 対称性エネルギーとその勾配$L$は、飽和密度における中性子物質のエネルギー/粒子の微分から計算される。
• 対称物質状態方程式を固定したまま、$L$への中性子皮殻および中性子星半径の感度を調べるために、対称性エネルギーに便宜的な変更を加える。
• 中性子星の性質は、純粋な中性子物質を仮定して計算され、状態方程式から得られる質量-半径関係が、さまざまなモデル間で比較される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な核子-核子相互作用に基づく微視的モデルにおいて、$^{208}$Pbの中性子皮殻厚さは、対称性エネルギーの密度依存性の主要パラメータである対称性圧力$L$とどのように相関するか？
• RQ2 中性子皮殻の高精度測定（0.05 fmまで）が、核物質状態方程式の異なる微視的モデルをどれだけ明確に区別できるか？
• RQ3 $^{208}$Pbの中性子皮殻と1.4$M_\odot$中性子星の半径との関係は何か？また、この関係は対称的および非対称的物質成分の状態方程式にどのように依存するか？
• RQ4 一部のモデルでは、中性子皮殻がより厚いにもかかわらず、中性子星半径が小さいと予測されるが、その理由は何か？中心エネルギー密度はこの非単調な振る舞いにおいて果たす役割は何か？

主な発見

• Bonn Bポテンシャルを用いたDBHF状態方程式を用いると、$^{208}$Pbの中性子皮殻は0.17 fm（5.56 fm - 5.39 fm）と予測される。
• DBHFモデルから得られる対称性圧力$L$は約100 MeVであり、異なる微視的モデルでは50–100 MeVの範囲にわたる。
• 中性子皮殻厚さと対称性圧力$L$の間にはほぼ線形の相関が見られるが、これは対称物質状態方程式の影響を受ける。
• 1.4$M_\odot$中性子星の半径は、UIXモデルで11.8 km、N93モデルで13.0 kmの間で変動し、最大半径は最も柔らかい対称性エネルギーと最も高い中心エネルギー密度に対応する。
• UIXモデルはDBHFよりも中性子皮殻が厚いが、中心エネルギー密度が著しく高く（9.05 × 10$^{14}$ g/cm$^3$）、高密度領域での剛性が顕著であるため、中性子星半径は11.8 km（DBHFでは12.4 km）と小さくなる。
• 本研究は、中性子星半径が対称性エネルギー勾配だけでなく、状態方程式の全密度依存性に依存することを確認しており、モデル間で中性子皮殻厚さと中性子星半径の間に非単調な関係が生じる理由を説明している。