[논문 리뷰] Multi-reference many-body perturbation theory for nuclei II -- Ab initio study of neon isotopes via PGCM and IM-NCSM calculations

Mikaël Frosini, T. Duguet외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 01.

Nuclear physics research studies참고 문헌 73인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 캐릭터 효과 이론(χEFT) 해밀토니안에서의 스펙트로스코픽 성질과 체계적 불확실성에 대해, 두 가지 상호보완적인 many-body 방법—예측 생성좌표 방법(PGCM)과 중간상태 무핵껍질모델(IM-NCSM)—을 사용하여 neon 동위원소에 대한 ab initio 연구를 제시한다. 동적 상관관계가 누락되어 있음에도 불구하고, PGCM는 강한 정적 상관관계를 잘 포착하고 낮은 에너지 준위 스펙트럼을 재현하여, 향후 다중참조 섭동이론을 통한 동적 효과의 포함을 위한 기초를 마련한다. 이는 후속 논문에서 상세히 설명된다.

ABSTRACT

The neon isotopic chain displays a rich phenomenology, ranging from clustering in the ground-state of the self-conjugate doubly open-shell stable $^{20}$Ne isotope to the physics of the island of inversion around the neutron-rich $^{30}$Ne isotope. This second (i.e. Paper II) of the present series proposes an extensive ab initio study of neon isotopes based on two complementary many-body methods, i.e. the quasi-exact in-medium no-core shell model (IM-NCSM) and the projected generator coordinate method (PGCM) that is ideally suited to capturing strong static correlations associated with shape deformation and fluctuations. Calculations employ a state-of-the-art generation of chiral effective field theory Hamiltonians and evaluate the associated systematic uncertainties. In spite of missing so-called dynamical correlations, which can be added via the multi-reference perturbation theory proposed in the first paper (i.e. Paper I) of the present series, the PGCM is shown to be a suitable method to tackle the low-lying spectroscopy of complex nuclei. Still, describing the physics of the island of inversion constitutes a challenge that seems to require the inclusion of dynamical correlations. This is addressed in the third paper (i.e. Paper III) of the present series.

연구 동기 및 목표

• 짝-짝 neon 동위원소에 대해 PGCM 계산을 quasi-exact한 IM-NCSM 결과와 비교하여 벤치마킹하기.
• 실제 chiral 해밀토니안을 사용하여 neon 동위원소 계열의 스펙트로스코픽 성질에 대한 ab initio 예측을 제공하기.
• chiral 효과 이론(χEFT) 해밀토니안의 순서별 전개에서 발생하는 체계적 불확실성 평가하기.
• PGCM와 IM-NCSM 결과가 낮은 에너지 준위의 핵구조 현상을 얼마나 잘 수반하는지 수렴성과 신뢰성 평가하기.

제안 방법

• 두- 및 삼체 nucleon 상호작용을 포함한, many-body 순서까지 고려한 최신 chiral 효과 이론(χEFT) 해밀토니안을 사용하였다.
• 완전한 A-체 힐베르트 공간에서의 ab initio many-body 계산을 위한 quasi-exact 기반 방법으로 중간상태 무핵껍질모델(IM-NCSM)을 적용하였다.
• 강한 정적 상관관계와 형태 변동을 기술하기 위해 제약 조건이 부여된 하트리-폭리우브-보골리우브(HFB) 해를 기반으로 한 예측 생성좌표 방법(PGCM)을 활용하였다.
• 다중참조 섭동이론(PGCM-PT) 체계를 제안하였으며, 본 논문은 주로 1차 근사인 PGCM의 최초 순서 근사를 다루었다.
• 질량 중심 오염 및 다윈-폴디 상대론적 효과를 전하 밀도 계산에 보정하였다.
• 전자 산란 데이터에 적합된 파rameter를 사용하여, 양성자 및 중성자의 전하 형상요소를 가우시안 전개로 표현하여 핵 전하 밀도를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PGCM는 IM-NCSM 결과와 비교해 볼 때, 짝-짝 neon 동위원소의 낮은 에너지 준위 스펙트로스코픽 성질을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ2 χEFT 해밀토니안의 전개에서 기인하는 체계적 불확실성은 neon 동위원소 계열의 예측 스펙트럼에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 PGCM는 20Ne와 30Ne와 같은 핵에서 형태 변형과 클러스터링과 같은 정적 상관관계를 효과적으로 포착할 수 있는가?
• RQ4 30Ne 근처의 불안정 영역(섬의 역전 영역)을 기술할 때 동적 상관관계의 역할은 무엇이며, PGCM 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 질량 중심 오염과 상대론적 보정은 20Ne의 계산된 전하 밀도 분포에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• PGCM는 짝-짝 neon 동위원소의 낮은 에너지 준위 스펙트럼을 성공적으로 재현하였으며, 특히 자가-공액 20Ne의 경우 강한 정적 상관관계를 잘 포착하고 있음을 보여준다.
• IM-NCSM 결과는 신뢰할 수 있는 기준이 되며, 연구된 neon 동위원소의 낮은 에너지 준위에서 PGCM와 양호한 일치를 보였다.
• χEFT 전개에서 기인하는 체계적 불확실성은 정량화되었으며, many-body 순서와 연산자 截斷의 민감도를 보였다.
• 가우시안 혼합 형상요소를 통한 전하 분포 포함은 특히 20Ne의 경우 전하 밀도 계산의 정확도를 향상시켰다.
• 정적 상관관계를 잘 포착하고 있음에도 불구하고, PGCM만으로는 30Ne 근처의 불안정 영역의 물리적 현상을 기술하지 못하며, 이는 동적 상관관계의 필요성을 시사한다.
• 질량 중심 보정과 다윈-폴디 항은 특히 경량 핵인 20Ne에서 정확한 전하 밀도 프로파일을 얻기 위해 필수적임을 확인하였다.