[논문 리뷰] Probing high-density symmetry energy using heavy-ion collisions at intermediate energies

Gao-Chan Yong, Yafei Guo|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 20.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 중간 에너지의 무거운 이온 충돌에서 고밀도 핵대칭 에너지의 성질을 탐구하기 위해 양성자-중성자 짧은 거리 상관관계와 영향을 받는 중간 상태의 이소스핀 의존성 단면적을 포함한 고도화된 이소스핀 의존성 운동모형을 제안한다. 이는 압축된 중성자 대 양성자 비율, 광자, 경량 클러스터 및 이상 메손 생성을 민감한 관측량으로 식별하며, 대칭 에너지의 곡률이 특히 고가속도 가로 성분 영역에서 이 관측량에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여주며, 고밀도 영역에서의 대칭 에너지 거동에 대해 정성적으로 강력한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

The nuclear symmetry energy, which describes the energy difference of per proton and neutron in nuclear matter, has been extensively studied within the last two decades. Around saturation density, both the value and the slope of the nuclear symmetry energy have been roughly constrained, its high-density behavior is now still in argument. Probing high-density symmetry energy at terrestrial laboratories is being carried out at facilities that offer radioactive beams worldwide. While relevant experiments are being conducted, we theoretically developed more advanced isospin-dependent transport model including new physics such as nucleon-nucleon short-range correlations and in-medium isospin-dependence of baryon-baryon scattering cross section. New sensitive probes of high-density symmetry energy are provided, such as squeezed-out neutron to proton ratio, photon and light cluster as well as the production of mesons with strangeness or hidden strangeness. The blind spots of probing the high-density symmetry energy by sensitive observable are demonstrated. Model dependence of frequently used sensitive probes of the symmetry energy has been studied thoroughly based on different transport models. A qualitative observable of neutron to proton ratio at high emitting energy is proposed to probe the high-density symmetry energy qualitatively. The probed density regions of the symmetry energy are carefully studied. Effects of nucleon-nucleon short-range correlations on the some sensitive observables of the symmetry energy in heavy-ion collisions are explored carefully. Probing the curvature of the symmetry energy by involving the slope information of the symmetry energy at saturation point in the transport model is proposed.

연구 동기 및 목표

• 새로운 물리적 입력을 포함한 고도화된 운동모형을 통해 고밀도 영역에서의 핵대칭 에너지 이론 모델링을 향상시키기 위해.
• 대칭 에너지의 곡률과 밀도 의존성에 민감한 새로운 실험 관측량을 식별하고 검증하기 위해.
• 무거운 이온 충돌 데이터에서 대칭 에너지를 해석할 때의 모형 의존성과 눈에 띄지 않는 결함을 평가하기 위해.
• 지구상의 무거운 이온 실험과 중성자별 융합 사건(GW170817 등)에서의 천체물리학적 제약 조건을 연결하기 위해.
• 고에너지 방출 중성자 대 양성자 비율을 사용하여 고밀도 대칭 에너지를 정성적으로 그러나 강력하게 탐색하기 위해.

제안 방법

• 자기 일관된 평균장 잠재력과 영향을 받는 중간 상태의 이소스핀 의존성 양성자-중성자 단면적을 포함한 자기 일관된 이소스핀 의존성 버울링-우렌부르크(Boltzmann-Uehling-Uhlenbeck, IBUU) 운동모형을 개발한다.
• 고운동량 양성자 동역학을 더 잘 기술하기 위해 운동량에 의존하는 잠재력을 통한 양성자-중성자 짧은 거리 상관관계를 통합한다.
• 대칭 에너지의 곡률 효과를 매개변수화하기 위해 포화 밀도 근처에서 대칭 에너지의 타일러 전개를 사용한다: $ E_{\text{sym}}(\rho) = E_{\text{sym}}(\rho_0) + L(\rho - \rho_0)/\rho_0 + \frac{1}{2}K_{\text{sym}}(\rho - \rho_0)^2/\rho_0^2 $.
• 400–600 MeV/핵자 범위에서 반중앙 무거운 이온 충돌(예: Au+Au, 132Sn+124Sn)을 시뮬레이션하여 관측량이 $ K_{\text{sym}} $ 에 얼마나 민감한지 추출한다.
• FOPI, RIBF, FRIB 및 FAIR의 실험 데이터와 모형 예측을 비교하여 민감도와 모형 의존성을 평가한다.
• 압축된 핵자 방출과 반중앙 충돌에서 중성자와 양성자 간의 타원형 유동 차이를 고밀도 대칭 에너지의 탐색 도구로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대칭 에너지의 곡률($ K_{\text{sym}} $)은 고가속도 가로 성분 영역에서의 핵자 방출 중 중성자 대 양성자 비율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 광자, 경량 클러스터 및 이상 메손 생성은 핵대칭 에너지의 고밀도 행동에 얼마나 민감한가?
• RQ3 운동모형 시뮬레이션에서 대칭 에너지를 해석할 때의 모형 의존성 불확실성은 무엇인가?
• RQ4 짧은 거리 상관관계는 관측량이 대칭 에너지 곡률에 대한 민감도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 반중앙 충돌에서 고에너지 방출 중성자 대 양성자 비율을 사용하여 대칭 에너지의 곡률을 정성적으로 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 고가속도 가로 성분 영역에서의 압축된 중성자 대 양성자 비율은 곡률 $ K_{\text{sym}} $ 에 매우 민감하며, 600 MeV/핵자에서 $ K_{\text{sym}} = -400 $ MeV와 $ K_{\text{sym}} = 0 $ MeV 사이에서 비율 차이가 최대 15%까지 발생한다.
• 270 MeV/핵자에서 132Sn+124Sn 충돌에서 중성자와 양성자 간의 타원형 유동 차이는 $ K_{\text{sym}} $ 에 대해 명확한 민감도를 보이며, 다양한 곡률 값 간에 20% 이상의 변화가 발생한다.
• 광자 및 경량 클러스터 수율은 고이소스핀 비대칭성을 가진 시스템에서 고밀도 대칭 에너지의 민감한 탐색 도구가 된다.
• 운동모형에 짧은 거리 상관관계를 통합함으로써 고운동량 영역에서 예측된 중성자 대 양성자 비율이 상당히 변화함을 확인하여, 이들이 모형 정확도에서 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다.
• 대칭 에너지 곡률 $ K_{\text{sym}} $ 는 기울기 $ L $ 보다 고운동량 방출 영역에서 더 강한 영향을 미치며, 특히 이 영역에서 두드러진다.
• 일반적으로 사용되는 관측량에 대한 눈에 띄지 않는 결함를 식별하였으며, 모형 의존성이 데이터에서 대칭 에너지 제약 조건을 해석하는 데 혼동을 줄 수 있음을 보여준다.