[论文解读] How chiral forces shape neutron-rich Ne and Mg nuclei

A. Ekström, C. Forssén+4 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2023

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences被引用 3

一句话总结

本研究采用基于ab initio方法的手征有效场理论（EFT），研究富中子氖和镁同素异形体的核形变，揭示了次-leading S波接触相互作用以及核子-π耦合常数对形变具有显著影响。研究预测34Ne具有明显的形变，且40Mg中存在形变共存现象，其近似于原生态基态的扁球形带态显著存在。

ABSTRACT

We compute the structure of the exotic even nuclei $^{20-34}$Ne and $^{34-40}$Mg using interactions from chiral effective field theory (EFT). Our results for the ground-state rotational bands in $^{20-32}$Ne and $^{36-40}$Mg agree with data. We predict a well-deformed $^{34}$Ne and find that $^{40}$Mg exhibits an oblate deformed band close to the prolate ground-state, indicating the emergence of shape co-existence at the neutron dripline. A global sensitivity analysis shows that the subleading singlet $S$-wave contact and a pion-nucleon coupling strongly impact deformation in chiral EFT.

研究动机与目标

• 理解N=20之后富中子氖和镁同素异形体核形变的微观起源。
• 研究手征两体和三体核子相互作用如何塑造中子滴线附近的奇异核结构。
• 通过一组手征相互作用量化ab initio预测中的不确定性。
• 通过敏感性分析识别在手征EFT中对形变影响最强的低能常数。
• 利用先进计算代理模型和哈特里-福克方法探索40Mg中形变共现现象的出现机制。

提出的方法

• 在ab initio无核心壳模型和投影哈特里-福克框架中应用手征两体和三体核子相互作用（1.8/2.0 (EM) 和 Delta-full NNLO）。
• 采用特征向量延拓法构建快速、精确的代理模型，用于激发能和形变比（R42）的计算，显著降低计算成本。
• 应用全局敏感性分析（基于方差）量化单个低能常数对可观测量（如R42、E(0+)、E(2+)、E(4+)）的影响。
• 通过历史匹配方法采样相互作用参数，并提取低能常数与可观测量之间的相关性。
• 使用广义非对称特征值求解器计算投影哈特里-福克能量，以确定旋转能带结构。
• 通过与400次精确哈特里-福克计算结果对比，验证代理模型的准确性，R42的精度达到1%，激发能精度达10 keV。

Figure 1: Energies of lowest $2^{+}$ and $4^{+}$ states in the even nuclei 20-34 Ne, computed using angular-momentum projected coupled-cluster with the interaction 1.8/2.0 (EM) Hebeler et al. ( 2011 ) (red diamonds with uncertainties from finite model-spaces), and posterior predictive distributions

实验结果

研究问题

• RQ1 在手征有效场理论中，哪些项对富中子Ne和Mg同素异形体的核形变影响最大？
• RQ2 34Ne是否表现出显著形变？其结构与实验数据相比如何？
• RQ3 核子-π耦合常数和次-leading S波接触相互作用在塑造低激发谱中起什么作用？
• RQ4 40Mg是否表现出形变共存现象？如果是，竞争的形变能带具有何种性质？
• RQ5 富中子Ne和Mg的波函数和能级结构与20Ne相比，在形变驱动相关性方面有何不同？

主要发现

• 预测的34Ne基态旋转能带具有明显的形变，与较轻Ne同素异形体的实验趋势一致。
• 40Mg在原生态基态附近存在一个低激发的扁球形变形能带，表明在中子滴线处出现了形变共存现象。
• 次-leading S波接触相互作用（C̃3S1）和核子-π耦合常数（c2）主导了基态能量和R42比值的方差，解释了20Ne和32Ne中超过90%的不确定性。
• 对于32Ne和34Mg，敏感性分布于更多低能常数，反映了接近滴线时系统复杂性的增加。
• 富中子Ne和Mg的基态和激发态能量与20Ne相比表现出不同的敏感性模式，表明其波函数结构存在差异。
• 代理模型的精度在R42上达到1%以内，激发能精度达10 keV，验证了代理模型在大规模敏感性分析中的适用性。

Figure 2: Energies of lowest $2^{+}$ and $4^{+}$ states in even nuclei 34-40 Mg, as a function of the oscillator frequency and for various model spaces, computed using projected Hartree-Fock with the chiral interaction 1.8/2.0 (EM) Hebeler et al. ( 2011 ) and compared to data (dashed horizontal line