[论文解读] Direct determination of the neutron skin thicknesses in $^{40,48}$Ca from proton elastic scattering at $E_p = 295$ MeV

J. Zenihiro, H. Sakaguchi+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2018

Nuclear physics research studies被引用 14

一句话总结

本研究通过295 MeV质子弹性散射，直接测定$^{40,48}$Ca的中子皮层厚度，采用具有密度依赖性的NN相互作用的相对论冲抵近似。分析得到$^{48}$Ca的中子皮层厚度为$\Delta r_{np} = 0.168^{+0.025}_{-0.028}$ fm，与从头算的耦-cluster计算和现代能量密度泛函理论一致，为对称能及中子物质方程状态提供了关键约束。

ABSTRACT

The neutron density distributions and neutron skin thicknesses in $^{40,48}$Ca are determined from the angular distributions of the cross sections and analyzing powers of polarized proton elastic scattering at $E_p = 295$ MeV. Based on the framework of the relativistic impulse approximation with the density-dependent effective $NN$ interaction, the experimental data is successfully analyzed, providing precise information of neutron and proton density profiles of $^{40,48}$Ca with small uncertainties. The extracted neutron and proton density distributions give neutron skin thicknesses in $^{40,48}$Ca for $-0.010^{+0.022}_{-0.024}$ fm and $0.168^{+0.025}_{-0.028}$ fm, respectively. The results of the density profiles and the neutron skin thickness in $^{48}$Ca are directly compared with the {\it ab initio} coupled-cluster calculations with interactions derived from chiral effective field theory, as well as relativistic and non-relativistic energy density functional theories.

研究动机与目标

• 通过质子弹性散射数据直接测定$^{40,48}$Ca的中子和质子密度分布及中子皮层厚度。
• 通过与理论模型比较，为对称能斜率参数$L$提供精确的实验约束。
• 通过与从头算耦-cluster计算的直接比较，评估三核子力在富中子核中的作用。
• 解决先前对$^{48}$Ca中$\Delta r_{np}$实验测定结果之间的差异，特别是偶极极化率与发散光学模型分析之间的差异。
• 为可由从头算方法处理的双幻数中等质量核建立中子皮层厚度的基准。

提出的方法

• 在295 MeV入射能量下测量质子弹性散射，以探测$^{40,48}$Ca的核密度分布。
• 采用具有密度依赖性的有效NN相互作用的相对论冲抵近似（RIA）分析微分截面和纵向极化度的角分布。
• 理论拟合数据提取出中子和质子密度剖面，不确定性极小，从而可直接确定$r_n$和$r_p$。
• 中子皮层厚度定义为$\Delta r_{np} = r_n - r_p$，由中子和质子分布的均方根半径导出。
• 结果与使用Chiral EFT相互作用的从头算耦-cluster计算以及相对论和非相对论能量密度泛函（EDF）理论进行比较。
• 评估系统性不确定性，以确保提取的$\Delta r_{np}$值的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过295 MeV质子弹性散射直接测定的$^{48}$Ca中子皮层厚度$\Delta r_{np}$是多少？
• RQ2 从$^{48}$Ca中提取的中子和质子密度分布与使用Chiral EFT相互作用的从头算耦-cluster计算预测结果相比如何？
• RQ3 测量得到的$^{48}$Ca中$\Delta r_{np}$在多大程度上约束了对称能斜率参数$L$？
• RQ4 为何本研究结果与先前报道的发散光学模型分析结果$\Delta r_{np} = 0.249(23)$ fm不同？
• RQ5 $^{48}$Ca中的中子皮层厚度与$^{208}$Pb中的中子皮层厚度有何关联？这对对称能意味着什么？

主要发现

• 测得$^{48}$Ca的中子皮层厚度为$\Delta r_{np} = 0.168^{+0.025}_{-0.028}$ fm，其中心值与偶极极化率分析结果一致，但与发散光学模型结果$0.249(23)$ fm不一致。
• $^{40}$Ca的中子皮层厚度为$-0.010^{+0.022}_{-0.024}$ fm，表明存在极小的质子皮层，与由于库仑排斥作用导致的理论预期一致。
• 测得的$^{48}$Ca中$\Delta r_{np}$表明对称能斜率参数$L$的范围为20–70 MeV，与从头算和EDF模型预测一致。
• 使用NNLO sat相互作用的从头算耦-cluster计算与DD-ME2 EDF模型均与实验密度分布高度一致，验证了其对富中子物质的预测能力。
• 结果表明，直接质子散射比仅依赖$\Delta r_{np}$的方法更能全面检验理论模型，因为它约束了完整的密度剖面。
• 本研究$^{48}$Ca结果与PREX实验在$^{208}$Pb上的结果重叠，支持不同质量区域对称能行为的一致性。