[논문 리뷰] Probing nuclear structure with mean transverse momentum in relativistic isobar collisions

H. Xu, W. Zhao외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 29.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 이소바릭 $^{96}$Ru+$^{96}$Ru 및 $^{96}$Zr+$^{96}$Zr 충돌 간 평균 횡방향 운동량 비율 ($R_{\langle p_{\perp}\rangle}$)을 사용하여 핵 구조를 탐구하는 것을 제안한다. 유체역학 시뮬레이션을 통해 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$가 전체 매질 역학에 민감하지 않지만 중성자 피부 두께와 핵의 비대칭성에 민감하다는 것을 보여준다. 주요 결과는 중심 충돌에서 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$와 타원류동($v_2$) 사이에 반비례 관계가 존재하며, 이는 비대칭성과 대칭 에너지 기울기 파ameter를 추출하는 데 유용하다.

ABSTRACT

Transverse momentum ($p_{T}$) generation in relativistic heavy ion collisions is sensitive to the initial geometry and the final-state bulk evolution. We demonstrate with hydrodynamic calculations that the mean $p_T$ ratio ($R_{\langle p_{T} angle}$) between the highly similar isobar $^{96}_{44}$Ru+$^{96}_{44}$Ru and $^{96}_{40}$Zr+$^{96}_{40}$Zr collisions is insensitive to the bulk evolution and remains sensitive to the small difference in the initial nuclear structure (neutron skin and deformation) between the Ru and Zr nuclei.We further find that nuclear deformation can produce an anticorrelation between $R_{\langle p_{T} angle}$ and eccentricity (or elliptic flow) in central collisions. These findings suggest that the $R_{\langle p_{T} angle}$ between the isobar systems can be used to measure the neutron skin thickness and deformation parameters, which can in turn constrain the nuclear symmetry energy slope parameter.

연구 동기 및 목표

• 이소바릭 $^{96}$Ru+$^{96}$Ru 및 $^{96}$Zr+$^{96}$Zr 충돌 간 평균 횡방향 운동량 비율 ($R_{\langle p_{\perp}\rangle}$)이 핵 구조를 탐지하는 데 사용될 수 있는지 조사하기 위해.
• 전체 매질의 불확실성에도 불구하고 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$가 중성자 피부 두께와 핵 비대칭성에 얼마나 민감한지 결정하기 위해.
• 중심 충돌에서 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$와 타원류동($v_2$) 간의 상관관계가 비대칭 효과를 분리하는 데 사용될 수 있는지 탐색하기 위해.
• $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$를 통해 중성자 피부 두께와 비대칭 제약 조건을 기반으로 대칭 에너지 기울기 파ameter $L$을 추출할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 상대론적 이소바릭 충돌을 시뮬레이션하기 위해 (2+1)-차원 점성 유체역학 모델인 iEBE-VISHNU를 사용하였다.
• $R_{\langle p_{\perp}\rangle} = \langle p_{\perp}^{\text{Ru}} \rangle / \langle p_{\perp}^{\text{Zr}} \rangle$를 계산하여 전체 역학에서의 영향을 제거하고 핵 구조 효과만을 분리하였다.
• 이벤트별 $v_2^{\{2\}}$ 누적량을 사용하여 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$와 초기 기하학적 이방성 간의 상관관계를 분석하였다.
• 핵 밀도 분포에서 중성자 피부 두께($\Delta r_{\rm np}$)와 이차형 비대칭성($\beta_2$)을 변화시켜 $S_{\perp}$와 $\langle p_{\perp}\rangle$에 미치는 영향을 평가하였다.
• 구형 및 비대칭 핵 기하구조를 비교하여 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$에 대한 비대칭 효과를 분리하였다.
• 점성 계수를 두 배로 변화시켜 점성 및 기타 유체역학적 매개변수에 대한 민감도를 테스트함으로써 결과의 견고성 평가를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이소바릭 $^{96}$Ru+$^{96}$Ru 및 $^{96}$Zr+$^{96}$Zr 충돌 간의 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 비율이 전체 매질 진화의 영향을 거의 받지 않고 핵 구조를 탐지하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 중성자 피부 두께와 핵 비대칭성은 각각 초기 핵 구조의 횡방향 겹침 면적 $S_{\perp}$에 영향을 주며, 그로 인해 $\langle p_{\perp}\rangle$에 영향을 주는가?
• RQ3 비대칭성으로 인해 중심 충돌에서 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$와 $v_2^{\{2\}}$ 사이에 반비례 관계가 나타나는가? 그리고 이 관계를 비대칭성 파ameter를 추출하는 데 사용할 수 있는가?
• RQ4 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$가 점성 및 기타 유체역학적 불확실성에 민감하지 않아 핵 구조 매개변수를 견고하게 추출할 수 있는가?

주요 결과

• $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 비율은 전체 점성 및 점성 계수 변화에 대해 거의 민감하지 않아 유체역학적 불확실성에 대해 견고함을 보였다.
• $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 비율은 초기 핵 구조의 미세한 차이, 특히 중성자 피부 두께($^{96}$Zr의 경우 $\Delta r_{\rm np} = 0.183$ fm, $^{96}$Ru의 경우 $0.042$ fm)와 비대칭성($^{96}$Ru의 경우 $\beta_2 = 0.16$)에 민감하게 반응하였다.
• 중심 충돌(상위 5% 중심도)에서 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$와 $v_2^{\{2\}}$ 사이에 반비례 관계가 관측되었으며, 이는 비대칭성 $^{96}$Ru에서 가장 강하게 나타났고, 구형 핵에서는 관측되지 않았다.
• 이 반비례 관계는 비대칭성이 초기 기하학적 이방성($\epsilon_2$)을 증가시켜 $v_2$를 증가시키지만, $S_{\perp}$는 감소시켜 $\langle p_{\perp}\rangle$에 대한 영향을 감소시켜 결국 Ru+Ru에서 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$를 증가시키기 때문이다.
• $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$-$v_2$ 반비례 관계는 비대칭 효과를 모델 독립적으로 추출할 수 있는 방법을 제공한다. 이는 비-flow 오염에 영향을 받지 않으며 핵 밀도 차이에 민감하지 않다.
• 비대칭성이 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$-$v_2$ 상관관계를 통해 제약 조건이 부여되면, 중성자 피부 두께는 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$를 통해 추출될 수 있으며, 이는 대칭 에너지 기울기 파ameter $L$에 대한 새로운 제약 조건을 제공한다.