[논문 리뷰] How chiral forces shape neutron-rich Ne and Mg nuclei

A. Ekström, C. Forssén외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 11.

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 초순수 효과 이론(EFT)과 초순수 방법을 사용하여 중성자 과잉 네온 및 마그네슘 이sovotopes의 핵 변형을 조사하며, 하위주기 S-파 접촉 상호작용과 파이온-핵자 결합 상수가 변형에 강력한 영향을 미친다는 것을 밝혀냈다. 연구는 34Ne가 잘 변형된 상태를 가지며, 40Mg에서는 기저 상태의 기울어진 상태 근처에 납작한 상태의 밴드가 존재하는 형태 공존 현상을 예측한다.

ABSTRACT

We compute the structure of the exotic even nuclei $^{20-34}$Ne and $^{34-40}$Mg using interactions from chiral effective field theory (EFT). Our results for the ground-state rotational bands in $^{20-32}$Ne and $^{36-40}$Mg agree with data. We predict a well-deformed $^{34}$Ne and find that $^{40}$Mg exhibits an oblate deformed band close to the prolate ground-state, indicating the emergence of shape co-existence at the neutron dripline. A global sensitivity analysis shows that the subleading singlet $S$-wave contact and a pion-nucleon coupling strongly impact deformation in chiral EFT.

연구 동기 및 목표

• N=20를 초월한 중성자 과잉 네온 및 마그네슘 이sovotopes에서 핵 변형의 미세 구조적 기원을 이해하기 위해.
• 초순수 두 및 세 나이론 상호작용이 중성자 드라이플린 근처의 난이도 있는 핵의 구조에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 초순수 예측의 불확실성을 초순수 상호작용의 집합을 통해 정량화하기 위해.
• 초순수 EFT에서 변형에 가장 강하게 영향을 미치는 핵심 저에너지 상수를 민감도 분석을 통해 특정하기 위해.
• 고급 계산 에뮬레이터와 하트리-폭 방법을 사용하여 40Mg에서 형태 공존의 발생을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 초순수 두 및 세 나이론 상호작용(1.8/2.0 (EM) 및 델타-풀 NNLO)을 초순수 무핵 껍질 모델 및 프로젝션 하트리-폭 프레임워크 내에서 사용하였다.
• 자기값 연속 기법을 사용하여 에너지 준위 및 변형 비율(R42)에 대한 신속하고 정확한 에뮬레이터를 구축하여 계산 비용을 감소시켰다.
• 전역 민감도 분석(variance-based)을 적용하여 개별 저에너지 상수가 R42 및 E(0+), E(2+), E(4+)와 같은 관측량에 미치는 영향을 정량화하였다.
• 역사 매칭을 수행하여 상호작용 매개변수를 샘플링하고 저에너지 상수 및 관측량 간의 상관관계를 추출하였다.
• 일반화된 비대칭 고유값 해법기를 사용하여 프로젝션 하트리-폭 에너지를 계산하여 회전 밴드를 결정하였다.
• 정확한 하트리-폭 계산 400건과의 비교를 통해 에뮬레이터 정확도를 검증하였으며, R42에 대해 1% 이내, 에너지 준위에 대해 10 keV 이내의 정확도를 확보하였다.

Figure 1: Energies of lowest $2^{+}$ and $4^{+}$ states in the even nuclei 20-34 Ne, computed using angular-momentum projected coupled-cluster with the interaction 1.8/2.0 (EM) Hebeler et al. ( 2011 ) (red diamonds with uncertainties from finite model-spaces), and posterior predictive distributions

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초순수 효과 이론에서 중성자 과잉 네온 및 마그네슘 이sovotopes의 핵 변형에 가장 강하게 영향을 미치는 항목은 무엇인가?
• RQ2 34Ne는 상당한 변형을 보이며, 실험 데이터와 비교해 볼 때 그 구조는 어떻게 되는가?
• RQ3 파이온-핵자 결합 상수와 하위주기 S-파 접촉 상호작용은 저에너지 스펙트럼 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 40Mg는 형태 공존을 보이며, 만약 그렇다면 경쟁적인 변형된 밴드의 성격은 무엇인가?
• RQ5 중성자 과잉 네온 및 마그네슘의 파동함수 및 에너지 준위 구조는 20Ne와 비교해 변형 유도 상관관계 측면에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• 34Ne의 기저 상태 회전 밴드는 잘 변형된 상태로 예측되었으며, 경량 네온 이sovotopes의 실험적 경향과 일치한다.
• 40Mg는 기울어진 기저 상태 근처에 낮은 에너지의 납작한 변형된 밴드를 보이며, 중성자 드라이플린에서 형태 공존 현상의 발생을 시사한다.
• 하위주기 S-파 접촉 상호작용(C̃3S1)과 파이온-핵자 결합 상수(c2)가 기저 상태 에너지 및 R42 비율의 분산을 지배하며, 20Ne 및 32Ne에서 불확실성의 90% 이상를 설명한다.
• 32Ne 및 34Mg의 경우 민감도가 더 많은 저에너지 상수에 분포되어 있으며, 드라이플린 근처에서 증가하는 복잡성 반영한다.
• 중성자 과잉 네온 및 마그네슘의 기저 및 옹진 상태 에너지는 20Ne와는 다릅니다. 이는 파동함수 구조의 차이를 시사한다.
• 에뮬레이터 정확도는 R42에 대해 1% 이내, 에너지 준위에 대해 10 keV 이내로 유지되어 대규모 민감도 분석에 에뮬레이터의 사용을 검증한다.

Figure 2: Energies of lowest $2^{+}$ and $4^{+}$ states in even nuclei 34-40 Mg, as a function of the oscillator frequency and for various model spaces, computed using projected Hartree-Fock with the chiral interaction 1.8/2.0 (EM) Hebeler et al. ( 2011 ) and compared to data (dashed horizontal line