[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究通过超相对论性 96Zr+96Zr 和 96Ru+96Ru 碰撞的输运模型模拟，证明观测到的椭圆流（$v_2$）和三角流（$v_3$）差异——$v_{2,{ m Ru}}>v_{2,{ m Zr}}$ 与 $v_{3,{ m Ru}}<v_{3,{ m Zr}}$——源于 96Ru 中强烈的四极形变（$β_2$）和 96Zr 中显著的八极形变（$β_3$）。该分析首次从重离子碰撞中直接提供了 96Zr 基态中八极关联的证据，确立了等量异位素碰撞作为核结构成像的高精度工具。

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.

研究动机与目标

• 解释近期 STAR 合作组在等量异位素 96Zr+96Zr 和 96Ru+96Ru 碰撞中获得的 $v_2$ 和 $v_3$ 流数据。
• 确定观测到的流差异是否源于核的本征形变（$\beta_2$，$\beta_3$），而非其他效应。
• 验证高能重离子碰撞作为测量核结构（尤其是八极关联）的新高精度探针的适用性。
• 通过输运模拟量化流比对 $\beta_2$ 和 $\beta_3$ 的敏感性，并与低能核结构测量结果进行比较。

提出的方法

• 使用 AMPT 输运模型模拟超相对论性重离子碰撞，初始核密度采用包含 $\beta_2$ 和 $\beta_3$ 形变的 Woods-Saxon 形式参数化。
• 通过参数形式计算初始态偏心度 $\varepsilon_n^2$ 和末态流系数 $v_n^2$：$v_n^2 = a_n + \sum_{m,k=2}^4 b_{n;mk} \beta_m \beta_k$，在超中心碰撞中简化为 $v_n^2 = a_n + b_n \beta_n^2$。
• 将模拟得到的 96Ru 与 96Zr 系统的 $v_2$ 和 $v_3$ 比值与实验 STAR 数据在不同中心度区间进行比较。
• 通过将模型预测与数据拟合，提取 $\beta_2$ 和 $\beta_3$ 值，使用来自低能谱学的 $\beta_2^{\rm Zr} = 0.062$ 和 $\beta_3^{\rm Zr} = 0.2$ 作为约束条件。
• 通过测试替代的 $\beta_3^{\rm Zr}$ 值（0.235，0.27）并引入中子皮效应，评估系统性不确定度。
• 利用比值 $v_{2,{\rm Ru}}/v_{2,{\rm Zr}}$ 和 $v_{3,{\rm Zr}}/v_{3,{\rm Ru}}$ 作为探针，分别提取 $\beta_2^{\rm Ru}$ 和 $\beta_3^{\rm Zr}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 96Zr+96Zr 与 96Ru+96Ru 碰撞中观测到的 $v_2$ 和 $v_3$ 差异能否由核的本征形变解释？
• RQ2 八极形变（$\beta_3$）在塑造 $v_3$ 比值中起什么作用？其结果是否与低能核结构数据一致？
• RQ3 四极形变与八极形变如何共同影响 $v_2$ 和 $v_3$ 比值的中心度依赖性？
• RQ4 等量异位素重离子碰撞在多大程度上可作为测量核形变参数的高精度工具？
• RQ5 从流比中提取 $\beta_n$ 的系统性不确定度有多大？中子皮效应如何影响结果？

主要发现

• 通过假设 $\beta_2^{\rm Ru} = 0.154$ 和 $\beta_2^{\rm Zr} = 0.062$，$v_{2,{\rm Ru}}/v_{2,{\rm Zr}}$ 比值得到定量再现，与低能核结构测量结果一致。
• 通过假设 $\beta_3^{\rm Zr} = 0.202$，$v_{3,{\rm Zr}}/v_{3,{\rm Ru}}$ 比值得到定量描述，该值与近期低能谱学测量结果一致。
• 若 $\beta_3^{\rm Zr}$ 取值为 0.235 或 0.27，则会过度预测 96Ru 中的 $v_3$ 抑制，因此被 $v_3$ 比值数据排除。
• 非单调的中心度依赖性 $v_{2,{\rm Ru}}/v_{2,{\rm Zr}}$ 可通过 $\beta_2^{\rm Ru} \gg \beta_2^{\rm Zr}$ 与 $\beta_3^{\rm Zr} \gg \beta_3^{\rm Ru}$ 的相互作用解释，其中 $\beta_3^{\rm Zr}$ 增强了 $v_{2,{\rm Zr}}$。
• 为定量描述 $v_2$ 比值，必须引入中子皮效应，表明除形变外还需考虑其他物理机制才能实现完全一致。
• 本工作首次通过高能重离子碰撞为 96Zr 基态中八极关联提供了直接证据，验证了等量异位素体系作为核结构成像新工具的有效性。