[論文レビュー] Ab initio framework for nuclear scattering and reactions induced by light projectiles

Konstantinos Kravvaris, Sofia Quaglioni+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2020

Nuclear physics research studies被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、α粒子やp殻核を含む軽い入射粒子による低エネルギー核反応を記述するためのab initio配置相互作用フレームワーク、NCSM/RGM（no-core shell model と resonating group method の組み合わせ）を提案する。このフレームワークはα−α散乱データと定量的に一致し、12Beにおける強いヘリウムクラスター状態を明らかにした。中性子崩壊がそのスペクトルおよび6He(6He,α)8He反応断面積に顕著に寄与していることが示された。

ABSTRACT

A quantitative and predictive microscopic theoretical framework that can describe reactions induced by $α$ particles ($^4$He nuclei) and heavier projectiles is currently lacking. Such a framework would contribute to reducing uncertainty in the modeling of stellar evolution and nucleosynthesis and provide the basis for achieving a comprehensive understanding of the phenomenon of nuclear clustering (the organization of protons and neutrons into distinct substructures within a nucleus). We have developed an efficient and general configuration-interaction framework for the description of low-energy reactions and clustering in light nuclei. The new formalism takes full advantage of powerful second-quantization techniques, enabling the description of $α$-$α$ scattering and an exploration of clustering in the exotic $^{12}$Be nucleus. We find that the $^4$He($α$, $α$)$^4$He differential cross section computed with non-locally regulated chiral interactions is in good agreement with experimental data. Our results for $^{12}$Be indicate the presence of strongly mixed helium-cluster states consistent with a molecular-like picture surviving far above the $^6$He+$^6$He threshold, and reveal the strong influence of neutron decay in both the $^{12}$Be spectrum and in the $^6$He($^6$He,$α$)$^8$He cross section. We expect that this approach will enable the description of helium burning cross sections and provide insight on how three-nucleon forces influence the emergence of clustering in nuclei.

研究の動機と目的

• 軽い入射粒子（α粒子やp殻核を含む）による低エネルギー反応を統一的に記述するab initioフレームワークの構築を目的とする。
• α誘発反応の微視的記述を提供することで、星形成核合成モデルの不確実性を低減することを目的とする。
• 3ヌクレオン力および中性子崩壊が、12Beのような異常核の構造をどのように形作るかを調査することを目的とする。
• ヘリウム燃焼断面積のab initio計算および核内におけるクラスタリングの出現を可能とすることを目的とする。
• 散乱および反応観測量における有効場理論の不確実性を数量的に評価するための、制御可能で低精度の手法を提供することを目的とする。

提案手法

• フレームワークは、ab initio no-core shell model (NCSM) と resonating group method (RGM) を組み合わせ、反応チャネルにおける多体核系を記述する。
• 2次量子化技術と配置相互作用アプローチを用いて、結合チャネル方程式のための非局所的かつ並進不変なカーネル行列を効率的に計算する。
• 統合カーネルは調和振動子基底状態を用いて展開され、相対運動状態とスレーター行列式チャネル状態を接続する線形写像によって変換される。
• 次に次に高い順序（next-to-next-to-leading order）のChiral 2および3ヌクレオン相互作用（NN+3N）を用い、収束を保証する非局所的正則化を導入する。
• 反応チャネルは、並進不変性を維持し、数値的安定性を向上させるために、質量中心の量子数を用いたブーストを用いて構築される。
• このアプローチにより、多体波動関数の系統的な切断が可能となり、不確実性評価のための低精度計算が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Chiral NN+3N相互作用を用いたab initio NCSM/RGMは、どの程度正確にα−α散乱を記述できるか？
• RQ2 中性子崩壊チャネルは、12Be核およびその励起状態の構造にどのような役割を果たすか？
• RQ3 3ヌクレオン力は、12Beのような軽い核におけるクラスタリングの出現にどのように寄与するか？
• RQ4 6He+6Heの閾値を超える共鳴状態において、ヘリウムクラスター構造はどの程度存続するか？
• RQ5 11Be+nおよび10Be+2nチャネルの含めることで、6He(6He,α)8He反応断面積および共鳴幅はどの程度変化するか？

主な発見

• 非局所的正則化を施したChiral NN+3N相互作用を用いた計算によるα−α微分散乱断面積は、実験データと良好に一致した。
• 3N力を無視した場合、12Beの基底状態は約3.67 MeV過くくされてしまうが、11Be+nチャネルを含めることで、実験値（11Be+n閾値からの相対値-3.17 MeV）に近づく。
• 4 MeV付近の0+状態は、依然として狭く束縛されており、6He+6He閾値を超えていながらも、強固なヘリウムクラスター性質を示している。
• 11Be+nチャネルを含めることで、2+共鳴状態の有意な中性子崩壊幅が得られ、これは6He(6He,α)8He断面積に明確に反映されている。
• 6+状態は極めて狭く、崩壊に対して安定しており、角運動量障壁によって保護された強い回転バンド性質を示している。
• 6He+6He閾値から大きく離れた位置でもクラスター構造が存続することは、クラスタリングが閾値に近いことによるものではなく、むしろ内在的な多体相関および3N力効果によって駆動されていることを示唆している。