[논문 리뷰] Off-Fermi Shell Nucleons in Superdense Asymmetric Nuclear Matter

Michael McGauley, Misak Sargsian|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 19.

Nuclear physics research studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초고밀도 비대칭 핵물질에서의 비페르미 표면 핵자에 대해 연구하며, 핵 포화 밀도의 3배 이상인 밀도에서 양성자가 특히 少수 성분일 경우 강한 텐서 상호작용에 의해 유도된 pn 상관관계로 인해 고운동량 尾첨이 지배하게 된다고 보여준다. 포함형 전자 산란 데이터로부터 적합한 단기 상관관계 확률을 사용하여, 3ρ₀에서 1/9의 양성자가 고운동량 상태를 占유하는 반면 중성자는 오직 2%에 불과하다는 것을 발견하였으며, 이는 중성자별 냉각과 초유체성에 중요한 영향을 미친다.

ABSTRACT

Recent observations of the strong dominance of proton-neutron (pn) relative to pp and nn short-range correlations (SRCs) in nuclei indicate on possibility of unique new condition for asymmetric high density nuclear matter, in which the pp and nn interactions are suppressed while the pn interactions are enhanced due to tensor interaction. We demonstrate that for sufficiently asymmetric case and high densities the momentum distribution of the smaller p-component is strongly deformed with protons increasingly populating the momentum states beyond the Fermi surface. This result is obtained by extracting the probabilities of two-nucleon (2N) SRCs from the analysis of the experimental data on high momentum transfer inclusive electro-nuclear reactions. We fitted the extracted probabilities as a function of nuclear density and asymmetry and used the fit to estimate the fractions of the off-Fermi shell nucleons in the superdense nuclear matter relevant to neutron stars. Our results indicate that starting at three nuclear saturation densities the protons with fractional densities 1/9 will populate mostly the high momentum tail of the momentum distribution while only 2% of the neutrons will do so. We discuss the implications of this condition for neutron stars and emphasize that it may be characteristic to any asymmetric two component Fermi system with suppressed central and enhanced short-range tensor interactions between the two components.

연구 동기 및 목표

• 초고밀도 비대칭 핵물질에서 양성자와 중성자의 운동량 분포, 특히 비페르미 표면 핵자를 이해하는 것.
• 단기 상관관계(SRC)에 대한 실험 데이터를 사용하여 고운동량 상태에 있는 핵자의 비율을 정량화하는 것.
• 고운동량 꼬리에서의 양성자 풍부화가 중성자별 물리학, 특히 냉각과 초유체성에 미치는 영향을 탐색하는 것.
• 같은 종류의 상호작용은 억제되고 교차 종류의 상호작용은 강화된 비대칭 이성분 페르미 체계에 대한 일반화된 프레임워크를 수립하는 것.
• 유한 핵에서의 SRC 확률을 무한 핵물질과 중성자별로 외삽하는 데 있어 유효성과 한계를 평가하는 것.

제안 방법

• xBj > 1 인 고운동량 전달에서의 포함형 전자 산란(A(e,e′)X) 데이터로부터 이핵자 SRC 확률을 추출하였으며, 운동량이 kF를 초과하는 핵자를 선별하였다.
• 실험 데이터를 바탕으로 핵 밀도 ρ와 이소스펙트르 비율 y = |1 − 2xp| 에 따라 함수화된 SRC 확률 a₂(ρ, y)를 적합하였다. 이는 다양한 A와 Z를 가진 시료에서의 데이터를 포함하였다.
• 이중핵자 SRC 모델을 인과성 근사에 기반하여 적용하였으며, Q² ≫ mN² 일 때 α ≈ xBj 를 사용하여 고운동량 핵자를 분리하였다.
• 디우터론 운동량 분포 nₚₙ(p) 를 기준으로 삼아, 핵에서의 고운동량 분포를 nₚₙ(p) ∝ 1/(2xp/n) · a₂(A,y) · nₚₙ(p) 의 관계를 통해 모델링하였다.
• A에 대한 의존성이 밀도 의존성과 관련이 있다고 가정하여, a₂(ρ, y) 를 고밀도 영역으로 외삽함으로써 무한 핵물질로의 분석을 확장하였다.
• 무시된 기여(예: pp/nn SRC, 3N SRC)의 영향을 평가하고 외삽 오차를 약 30%로 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고밀도 비대칭 핵물질에서 양성자와 중성자의 고운동량 분포는 밀도와 이소스펙트르 비대칭도가 증가함에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 텐서가 지배하는 pn 상호작용은 300–600 MeV/c 운동량 범위에서 pp 및 nn 상관관계를 얼마나 억제하는가?
• RQ3 핵 포화 밀도의 3배 이상인 밀도에서 양성자가 비페르미 표면 상태를 占유하는 비율은 얼마인가?
• RQ4 고운동량 양성자의 지배적 존재가 중성자별 냉각과 초유체성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 핵에서 관측된 SRC 행동이 비대칭 이성분 페르미 체계로 일반화될 수 있는가? 특히 텐서 강화된 교차 종류 상호작용이 있는 경우에 대해.

주요 결과

• 핵 밀도가 핵 포화 밀도의 3배 이상인 3ρ₀에서, 양성자는 분율 밀도가 1/9인 상태로 고운동량 꼬리의 분포를 占유하며, 중성자는 오직 2%에 불과하다.
• 비대칭도가 증가함에 따라 고운동량 양성자 비율이 증가하여, 주로 텐서 상호작용에 의해 유도된 pn 상관관계로 인해 비페르미 표면을 초월하는 양성자가 상당히 많이 존재하게 된다.
• 양성자가 2N SRC 상태에 있을 확률는 그 분율 농도에 반비례하며, 이는 모형 nₚ(p) ∝ 1/(2xₚ) · a₂(ρ,y) · nₚₙ(p) 와 일치한다.
• 관측된 고운동량 상태에서의 양성자 지배성은 양성자 분율 xp < 1/9 이더라도 Direct URCA 과정이 가능하게 하여, 표준 임계값을 초월해 중성자별 냉각이 지속됨을 가능하게 한다.
• 고운동량 상태에서의 양성자 점유는 에너지 갭을 흐트려서 양성자 초유체성을 억제하며, 초전도성 쌍결합 메커니즘을 변화시킨다.
• 결과는 중성자별 중심부에서 양성자가 고운동량 지배성으로 인해 핵심에 집중되는 잠재적인 '중성자 피부' 효과와, 스핀-1, 이소스핀-0 텐서 상태에서의 이소스펙트르 锁정으로 인해 강화된 상태방정식을 시사한다.