[論文レビュー] Probing nuclear structure with mean transverse momentum in relativistic isobar collisions

H. Xu, W. Zhao+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2021

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、等質量核反応である $^{96}$Ru+$^{96}$Ru と $^{96}$Zr+$^{96}$Zr の間の平均横運動量比 ($R_{\langle p_{\perp}\rangle}$) を用いて、核構造を調べることを提案する。流体力学的シミュレーションを用いて、$R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ がバルク媒体の力学にほとんど依存しないが、中性子皮の厚さや核の非球面性に敏感であることを示した。主な結果として、中心的反応において $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ と楕円流 ($v_2$) の反比例関係が得られ、非球面性と対称エネルギー勾配パラメータの抽出が可能である。

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.

研究の動機と目的

• 等質量核反応である $^{96}$Ru+$^{96}$Ru と $^{96}$Zr+$^{96}$Zr の間の平均横運動量比 ($R_{\langle p_{\perp}\rangle}$) が、バルク媒体の進化による大きなバイアスを受けることなく核構造を調べる手段として有効かどうかを検討すること。
• バルク媒体の不確実性が存在する中でも、$R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ が中性子皮の厚さと核の非球面性にどれほど敏感であるかを特定すること。
• 中心的反応において $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ と楕円流 ($v_2$) の相関関係が、非球面性の影響を分離して抽出できるかを検討すること。
• $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ が中性子皮と非球面性の制約を介して、対称エネルギー勾配パラメータ $L$ を抽出する手段として利用可能であることを示すこと。

提案手法

• 相対論的等質量反応をシミュレートするために、(2+1)次元の粘性流体力学モデル iEBE-VISHNU を用いる。
• $R_{\langle p_{\perp}\rangle} = \langle p_{\perp}^{\text{Ru}} \rangle / \langle p_{\perp}^{\text{Zr}} \rangle$ を計算することで、バルク力学からの構造的要因の分離を図る。
• イベントごとの $v_2^{\{2\}}$ 累積量を用いて、$R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ と初期幾何的非対称性の相関を分析する。
• 核密度分布における中性子皮の厚さ ($\Delta r_{\rm np}$) と四極モーメント非球面性 ($\beta_2$) を変化させ、$S_{\perp}$ と $\langle p_{\perp}\rangle$ に与える影響を評価する。
• 球形核と非球面核の幾何的形状を比較することで、$R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ に及ぼす非球面性の影響を分離する。
• 粘性係数を2倍の範囲で変化させることで、流体力学的パラメータの不確実性に対する耐性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 等質量核反応である $^{96}$Ru+$^{96}$Ru と $^{96}$Zr+$^{96}$Zr の間の $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 比が、バルク媒体の進化による大きなバイアスを受けることなく核構造を調べる手段として有効であるか。
• RQ2 中性子皮の厚さと核の非球面性が、それぞれ初期核構造の横断的重なり面積 $S_{\perp}$ に及ぼす影響、および $\langle p_{\perp}\rangle$ に及ぼす影響は何か。
• RQ3 中心的反応において、非球面性の影響により $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ と $v_2^{\{2\}}$ の間に反比例関係が現れるか。また、その関係が非球面性パラメータの抽出に利用可能か。
• RQ4 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ が粘性係数やその他の流体力学的不確実性にほとんど依存しない程度の頑健性を示すか。その結果、核構造パラメータの抽出が信頼できるか。

主な発見

• $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 比は、バルク粘性とせん断粘性の変動に対してほとんど感度を示さないため、流体力学的不確実性に対して頑健であることが示された。
• $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 比は、初期核構造の微小な違い、特に中性子皮の厚さ ($^{96}$Zr では $\Delta r_{\rm np} = 0.183$ fm、$^{96}$Ru では $0.042$ fm）と非球面性 ($\beta_2 = 0.16$ for $^{96}$Ru) に敏感に反応することが確認された。
• 中心的反応（上位5%の中心性）において、$R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ と $v_2^{\{2\}}$ の間の反比例関係が観測された。この関係は非球面核 $^{96}$Ru に対して強く、球形核では観測されなかった。
• この反比例関係は、非球面性が初期幾何的非対称性 ($\epsilon_2$) を増加させ、結果として $v_2$ を増大させる一方で、$S_{\perp}$ が減少し、$\langle p_{\perp}\rangle$ が $^{96}$Ru+${}^{96}$Ru で低下するため、$R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ が上昇するというメカニズムに起因する。
• $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$-$v_2$ の反比例関係は、非フロー汚染に対して頑健で、核密度の違いに依存しないため、非球面性をモデルに依存せずに抽出するためのモデル独立な手法である。
• 非球面性が $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$-$v_2$ の相関関係から制約された後、$R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ から中性子皮の厚さを抽出でき、これにより対称エネルギー勾配パラメータ $L$ に対する新たな制約が得られる。