[论文解读] Information content of the parity-violating asymmetry in $^{208}$Pb

P.‐G. Reinhard, X. Roca-Maza+1 more|PubMed|May 31, 2021

Nuclear physics research studies参考文献 44被引用 6

一句话总结

本研究使用多种相对论与非相对论能量密度泛函，重新评估了 $^{208}$Pb 中的宇称-violating不对称性 $A_{\rm PV}$，并结合实验测得的 $A_{\rm PV}$ 和电偶极极化率 $α_{\rm D}$ 数据校准了新的泛函。研究发现，中子皮厚度为 $r_{\rm skin} = 0.19 \pm 0.02$ fm，对称能斜率 $L = 54 \pm 8$ MeV，显著低于以往估计值，同时预测 $^{48}$Ca 的 $A_{\rm PV} = 2400 \pm 60$ ppb，该结果将由 CREX 实验进行检验。

ABSTRACT

The parity-violating asymmetry A_{PV} in ^{208}Pb, recently measured by the PREX-2 Collaboration, is studied using modern relativistic (covariant) and nonrelativistic energy density functionals. We first assess the theoretical uncertainty on A_{PV} which is intrinsic to the adopted approach. To this end, we use quantified functionals that are able to accommodate our previous knowledge on nuclear observables such as binding energies, charge radii, and the dipole polarizability α_{D} of ^{208}Pb. We then add the quantified value of A_{PV} together with α_{D} to our calibration dataset to optimize new functionals. Based on these results, we predict a neutron skin thickness in ^{208}Pb r_{skin}=0.19±0.02 fm and the symmetry-energy slope L=54±8 MeV. These values are consistent with other estimates based on astrophysical data and are significantly lower than those recently reported using a particular set of relativistic energy density functionals. We also make a prediction for the A_{PV} value in ^{48}Ca that will be soon available from the CREX measurement.

研究动机与目标

• 使用现代相对论与非相对论能量密度泛函（EDFs）评估 $A_{\rm PV}$ 预测中的理论不确定性。
• 通过同时使用 $A_{\rm PV}$ 和 $α_{\rm D}$ 数据校准新的 EDFs，解决 PREX-2 测得的 $A_{\rm PV}$ 与其它可观测量（如 $α_{\rm D}$）之间的张力。
• 为 $^{208}$Pb 提供更优、与模型一致的中子皮厚度 $r_{\rm skin}$ 和对称能斜率 $L$ 预测，且与天体物理约束一致。
• 预测 $^{48}$Ca 在 CREX 实验条件下的 $A_{\rm PV}$ 值，以指导即将开展的实验测量。

提出的方法

• 采用经过量化的相对论与非相对论 EDFs，基于 $^{208}$Pb 的结合能、电荷半径和 $α_{\rm D}$ 数据校准，以估算 $A_{\rm PV}$ 预测中的内在理论不确定性。
• 将校准扩展至包含 PREX-2 在 $q = 0.3978$ fm$^{-1}$ 处测得的 $A_{\rm PV}$，实现结合 $A_{\rm PV}$ 与 $α_{\rm D}$ 约束的新 EDF 优化。
• 使用统计分析（Dobaczewski 等，2014）量化模型不确定性，并分析不同 EDF 类型中 $A_{\rm PV}$、$r_{\rm skin}$、$L$ 与 $α_{\rm D}$ 之间的相关性。
• 修改 Dirac 分波代码 elsepa 以包含宇称-violating 潜力，并在 $A_{\rm PV}$ 计算中考虑库仑畸变与 PREX-2 接收函数的影响。
• 通过统计分析评估 $A_{\rm PV}$ 与 $r_{\rm skin}$ 之间的相关性，发现在 SV 和 RMF-PC EDF 中相关系数高达 99.9%。
• 基于最佳拟合 EDFs 预测 $^{48}$Ca 在 $Q^2 = 0.03$ GeV$^2$ 条件下的 $A_{\rm PV}$，并根据模型方差传播不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用多种 EDF 分析时，PREX-2 对 $^{208}$Pb 中 $A_{\rm PV}$ 的测量是否与其它核物理数据产生根本性矛盾？
• RQ2 由 EDF 选择引起的 $A_{\rm PV}$ 预测理论不确定性有多大？与 PREX-2 的实验不确定性相比如何？
• RQ3 $A_{\rm PV}$ 与 $α_{\rm D}$ 数据联合如何约束 $^{208}$Pb 中的中子皮厚度与对称能斜率 $L$？
• RQ4 观测到的 $A_{\rm PV}$ 与 $r_{\rm skin}$ 之间的相关性是否可用于改进模型校准并降低核物质性质的不确定性？
• RQ5 在 CREX 实验条件下，$^{48}$Ca 的预测 $A_{\rm PV}$ 值是多少？与当前实验对 $α_{\rm D}$ 的估计相比如何？

主要发现

• 预测 $^{208}$Pb 的中子皮厚度为 $r_{\rm skin} = 0.19 \pm 0.02$ fm，显著低于以往研究报道的 $0.283 \pm 0.071$ fm。
• 对称能斜率 $L$ 确定为 $54 \pm 8$ MeV，与天体物理和手征有效场论估计一致，但显著低于 Reed 等（2021）报道的 $106 \pm 37$ MeV。
• $A_{\rm PV}$ 预测的理论不确定性估计为 6–7 ppb，与 PREX-2 的系统误差（8 ppb）相当，支持其作为校准可观测量的适用性。
• 在不同 EDF 类型中，$A_{\rm PV}$ 与 $r_{\rm skin}$ 之间存在 99.9% 的强相关性，证实 $A_{\rm PV}$ 是探测中子皮结构的敏感探针。
• 在 CREX 实验条件下，预测 $^{48}$Ca 的 $A_{\rm PV}$ 为 $2400 \pm 60$ ppb，为即将开展的实验测量提供了基准。
• 模型平均的对称能 $J$ 估计为 $32 \pm 1$ MeV，与近期天体物理和手征 EFT 约束一致，低于 Reed 等（2021）报道的 $38.1 \pm 4.7$ MeV。