[論文レビュー] Evidence of quadrupole and octupole deformations in $^{96}$Zr+$^{96}$Zr and $^{96}$Ru+$^{96}$Ru collisions at ultra-relativistic energies

C. Zhang, J. Jia|PubMed|Sep 3, 2021

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 33被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、超相対論的 96Zr+96Zr および 96Ru+96Ru 衝突の輸送モデルシミュレーションを用いて、観測された楕円形（$v_2$）および三角形（$v_3$）流れの差異—$v_{2,{ m Ru}}>v_{2,{ m Zr}}$ および $v_{3,{ m Ru}}<v_{3,{ m Zr}}$—が、96Ru における強い二重極モーメント歪み（$eta_2$）と 96Zr における顕著な三重極モーメント歪み（$eta_3$）に起因することを示した。解析により、重イオン衝突からの 96Zr の基底状態における三重極相関の最初の直接的証拠が得られ、同素体衝突が核構造イメージングの高精度ツールであることが確立された。

ABSTRACT

In the hydrodynamic model description of heavy-ion collisions, the elliptic flow v_{2} and triangular flow v_{3} are sensitive to the quadrupole deformation β_{2} and octupole deformation β_{3} of the colliding nuclei. The relations between v_{n} and β_{n} have recently been clarified and were found to follow a simple parametric form. The STAR Collaboration has just published precision v_{n} data from isobaric ^{96}Ru+^{96}Ru and ^{96}Zr+^{96}Zr collisions, where they observe large differences in central collisions v_{2,Ru}>v_{2,Zr} and v_{3,Ru}<v_{3,Zr}. Using a transport model simulation, we show that these orderings are a natural consequence of β_{2,Ru}≫β_{2,Zr} and β_{3,Ru}≪β_{3,Zr}. We reproduce the centrality dependence of the v_{2} ratio qualitatively and v_{3} ratio quantitatively and extract values of β_{2} and β_{3} that are consistent with those measured at low-energy nuclear structure experiments. STAR data provide the first direct evidence of strong octupole correlations in the ground state of ^{96}Zr in heavy-ion collisions. Our analysis demonstrates that flow measurements in high-energy, heavy-ion collisions, especially using isobaric systems, are a new precision tool to study nuclear structure physics.

研究の動機と目的

• 同素体 96Zr+96Zr および 96Ru+96Ru 衝突からの最近の STAR コラボレーションの $v_2$ および $v_3$ 流れデータを解釈すること。
• 観測された流れの差異が他の要因ではなく、核の固有の歪み（$\beta_2$, $\beta_3$）に起因するかどうかを特定すること。
• 特に三重極相関に対して、高エネルギー重イオン衝突を核構造の新しい高精度プローブとして使用することを検証すること。
• 輸送シミュレーションを用いて $\beta_2$ および $\beta_3$ に対する流れ比の感度を定量化し、低エネルギー核構造測定と比較すること。

提案手法

• 初期状態の核密度を Woods-Saxon 形式でパラメータ化し、$\beta_2$ および $\beta_3$ 歪みを含めた AMPT 輸送モデルを用いて超相対論的重イオン衝突をシミュレートする。
• 初期状態の非対称性 $\varepsilon_n^2$ および最終状態の流れ係数 $v_n^2$ を、$v_n^2 = a_n + \sum_{m,k=2}^4 b_{n;mk} \beta_m \beta_k$ というパラメトリック形式で計算し、超中央衝突では $v_n^2 = a_n + b_n \beta_n^2$ に簡略化する。
• 96Ru および 96Zr システム間のシミュレートされた $v_2$ および $v_3$ 比を、中央度のビンごとの実験的 STAR データと比較する。
• 低エネルギー分光法からの制約（$\beta_2^{\rm Zr} = 0.062$ および $\beta_3^{\rm Zr} = 0.2$）を用いて、モデル予測とデータの一致をとるための $\beta_2$ および $\beta_3$ 値を抽出する。
• 代替の $\beta_3^{\rm Zr}$ 値（0.235, 0.27）をテストし、シミュレーションに中性子皮膜効果を含めることで、系統的不確かさを評価する。
• 比 $v_{2,{\rm Ru}}/v_{2,{\rm Zr}}$ および $v_{3,{\rm Zr}}/v_{3,{\rm Ru}}$ を用いて、それぞれ $\beta_2^{\rm Ru}$ および $\beta_3^{\rm Zr}$ を抽出するプローブとして使用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 96Zr+96Zr および 96Ru+96Ru 衝突間の観測された $v_2$ および $v_3$ 差異は、核の固有の歪みによって説明可能か？
• RQ2 三重極歪み（$\beta_3$）は $v_3$ 比にどのように寄与するか？また、低エネルギー核構造データと整合的か？
• RQ3 四重極歪みと三重極歪みが、$v_2$ および $v_3$ 比の中央度依存性にどのように寄与するか？
• RQ4 同素体重イオン衝突は、核歪みパラメータを測定するための高精度ツールとしてどの程度有効か？
• RQ5 流れ比から $\beta_n$ を抽出する際の系統的不確かさは何か？また、中性子皮膜効果は結果にどのように影響するか？

主な発見

• $v_{2,{\rm Ru}}/v_{2,{\rm Zr}}$ 比は、$\beta_2^{\rm Ru} = 0.154$ および $\beta_2^{\rm Zr} = 0.062$ を仮定することで定量的に再現され、低エネルギー核構造測定と整合的である。
• $v_{3,{\rm Zr}}/v_{3,{\rm Ru}}$ 比は、$\beta_3^{\rm Zr} = 0.202$ を仮定することで定量的に記述可能であり、最近の低エネルギー分光法測定と整合的である。
• $\beta_3^{\rm Zr}$ 値が 0.235 や 0.27 であると、96Ru における $v_3$ の抑制が過剰に予測され、$v_3$ 比データによって除外される。
• $v_{2,{\rm Ru}}/v_{2,{\rm Zr}}$ の非単調な中央度依存性は、$\beta_2^{\rm Ru} \gg \beta_2^{\rm Zr}$ および $\beta_3^{\rm Zr} \gg \beta_3^{\rm Ru}$ の相互作用によって説明可能であり、$\beta_3^{\rm Zr}$ が $v_{2,{\rm Zr}}$ を増幅させている。
• $v_2$ 比を定量的に記述するには中性子皮膜効果が必要であり、歪み以外の追加の物理的要因が完全な一致を得るために必要であることを示唆している。
• 本研究は、高エネルギー重イオン衝突から 96Zr の基底状態における三重極相関の最初の直接的証拠を提供し、同素体系が核構造イメージングの新しいツールとして有効であることを裏付けた。