[논문 리뷰] Evidence of quadrupole and octupole deformations in $^{96}$Zr+$^{96}$Zr and $^{96}$Ru+$^{96}$Ru collisions at ultra-relativistic energies

C. Zhang, J. Jia|PubMed|2021. 09. 03.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 33인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 초고속 96Zr+96Zr 및 96Ru+96Ru 충돌의 운동 모델 시뮬레이션을 통해 관측된 타원($v_2$) 및 삼각형($v_3$) 유량의 차이—$v_{2,{ m Ru}}>v_{2,{ m Zr}}$ 및 $v_{3,{ m Ru}}<v_{3,{ m Zr}}$—가 96Ru에서 강한 이차형 변형($\beta_2$)과 96Zr에서 뚜렷한 삼차형 변형($\beta_3$) 때문임을 입증한다. 분석은 고에너지 충돌을 통한 96Zr의 기저 상태에서 삼차형 상관관계를 직접적으로 규명한 최초의 증거를 제공하며, 이sov형 충돌이 핵 구조 영상 기술의 정밀 도구로 활용됨을 확인한다.

ABSTRACT

In the hydrodynamic model description of heavy-ion collisions, the elliptic flow v_{2} and triangular flow v_{3} are sensitive to the quadrupole deformation β_{2} and octupole deformation β_{3} of the colliding nuclei. The relations between v_{n} and β_{n} have recently been clarified and were found to follow a simple parametric form. The STAR Collaboration has just published precision v_{n} data from isobaric ^{96}Ru+^{96}Ru and ^{96}Zr+^{96}Zr collisions, where they observe large differences in central collisions v_{2,Ru}>v_{2,Zr} and v_{3,Ru}<v_{3,Zr}. Using a transport model simulation, we show that these orderings are a natural consequence of β_{2,Ru}≫β_{2,Zr} and β_{3,Ru}≪β_{3,Zr}. We reproduce the centrality dependence of the v_{2} ratio qualitatively and v_{3} ratio quantitatively and extract values of β_{2} and β_{3} that are consistent with those measured at low-energy nuclear structure experiments. STAR data provide the first direct evidence of strong octupole correlations in the ground state of ^{96}Zr in heavy-ion collisions. Our analysis demonstrates that flow measurements in high-energy, heavy-ion collisions, especially using isobaric systems, are a new precision tool to study nuclear structure physics.

연구 동기 및 목표

• 이sov형 96Zr+96Zr 및 96Ru+96Ru 충돌에서 최근의 STAR 협동 연구의 $v_2$ 및 $v_3$ 유량 데이터를 해석하기 위해.
• 관측된 유량 차이가 다른 요소가 아닌 핵 내재 변형($\beta_2$, $\beta_3$) 때문인지 확인하기 위해.
• 특히 삼차형 상관관계에 대해 고에너지 핵 충돌이 새로운 정밀 측정 도구로 활용될 수 있음을 검증하기 위해.
• 운반 모델 시뮬레이션을 사용하여 $\beta_2$ 및 $\beta_3$에 대한 흐름 비율의 민감도를 정량화하고, 저에너지 핵 구조 측정 결과와 비교하기 위해.

제안 방법

• 초고속 핵 충돌을 AMPT 운반 모델을 사용해 시뮬레이션하며, 초기 상태 핵 밀도를 월즈-삭슨 형식으로 파arameter화하고 $\beta_2$ 및 $\beta_3$ 변형을 포함한다.
• 초기 상태 타원도 $\varepsilon_n^2$ 및 최종 상태 유량 계수 $v_n^2$를 다음의 매개변수 형식으로 계산한다: $v_n^2 = a_n + \sum_{m,k=2}^4 b_{n;mk} \beta_m \beta_k$, 초중앙 충돌에서는 단순화하여 $v_n^2 = a_n + b_n \beta_n^2$로 표현한다.
• 다양한 중심도 범위에서 96Ru 및 96Zr 시스템의 시뮬레이션된 $v_2$ 및 $v_3$ 비율을 실험적 STAR 데이터와 비교한다.
• 저에너지 스펙트로스코피에서 유도된 $\beta_2^{\rm Zr} = 0.062$ 및 $\beta_3^{\rm Zr} = 0.2$를 제약 조건으로 삼아, 모델 예측을 데이터에 맞추어 $\beta_2$ 및 $\beta_3$ 값을 추출한다.
• 다른 $\beta_3^{\rm Zr}$ 값(0.235, 0.27)을 시험하고 시뮬레이션에 중성자 피부 효과를 포함하여 체계적 불확실성의 영향을 평가한다.
• 비율 $v_{2,{\rm Ru}}/v_{2,{\rm Zr}}$ 및 $v_{3,{\rm Zr}}/v_{3,{\rm Ru}}$를 사용하여 각각 $\beta_2^{\rm Ru}$ 및 $\beta_3^{\rm Zr}$를 추출하는 데 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 96Zr+96Zr 및 96Ru+96Ru 충돌 간 관측된 $v_2$ 및 $v_3$ 유량의 차이가 핵 내재 변형에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 삼차형 변형($\beta_3$)이 $v_3$ 비율에 미치는 역할은 무엇이며, 저에너지 핵 구조 데이터와 일치하는가?
• RQ3 이차형 및 삼차형 변형이 $v_2$ 및 $v_3$ 비율의 중심도 의존성에 어떻게 동시에 영향을 미치는가?
• RQ4 이sov형 고에너지 핵 충돌이 핵 변형 매개변수를 측정하는 데 얼마나 정밀한 도구로 활용될 수 있는가?
• RQ5 흐름 비율에서 $\beta_n$을 추출할 때의 체계적 불확실성은 무엇이며, 중성자 피부 효과는 결과에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $v_{2,{\rm Ru}}/v_{2,{\rm Zr}}$ 비율은 $\beta_2^{\rm Ru} = 0.154$ 및 $\beta_2^{\rm Zr} = 0.062$로 가정했을 때 정량적으로 재현되며, 저에너지 핵 구조 측정 결과와 일치한다.
• $v_{3,{\rm Zr}}/v_{3,{\rm Ru}}$ 비율은 $\beta_3^{\rm Zr} = 0.202$로 가정했을 때 정량적으로 잘 설명되며, 최근의 저에너지 스펙트로스코피 측정 결과와 일치한다.
• $\beta_3^{\rm Zr}$ 값이 0.235 또는 0.27일 경우, 96Ru에서의 $v_3$ 억제 현상이 과도하게 예측되어 $v_3$ 비율 데이터에 의해 배제된다.
• $v_{2,{\rm Ru}}/v_{2,{\rm Zr}}$의 비단조성 중심도 의존성은 $\beta_2^{\rm Ru} \gg \beta_2^{\rm Zr}$ 및 $\beta_3^{\rm Zr} \gg \beta_3^{\rm Ru}$의 상호작용으로 설명되며, $\beta_3^{\rm Zr}$가 $v_{2,{\rm Zr}}$를 증가시킨다.
• $v_2$ 비율을 정량적으로 기술하기 위해선 중성자 피부 효과가 필요하며, 이는 변형 외의 추가 물리적 요소가 전체 일치를 위해 필요함을 시사한다.
• 본 연구는 고에너지 핵 충돌을 통한 96Zr 기저 상태에서 삼차형 상관관계를 직접적으로 규명한 최초의 증거를 제공하며, 이sov형 시스템이 핵 구조 영상의 새로운 도구로 활용될 수 있음을 검증한다.