[论文解读] Off-Fermi Shell Nucleons in Superdense Asymmetric Nuclear Matter

Michael McGauley, Misak Sargsian|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2011

Nuclear physics research studies被引用 4

一句话总结

本文研究了超致密非对称核物质中的离费米面壳核子，表明在密度超过核饱和密度三倍时，质子——尤其是少数组分中的质子——由于增强的张量驱动的 pn 相关性，主导了高动量尾部。利用从包含性电子散射数据拟合得到的短程相关（SRC）概率，发现当密度为 3ρ₀ 时，1/9 的质子处于高动量态，而仅有 2% 的中子处于此类状态，这表明对中子星冷却和超流性具有重要影响。

ABSTRACT

Recent observations of the strong dominance of proton-neutron (pn) relative to pp and nn short-range correlations (SRCs) in nuclei indicate on possibility of unique new condition for asymmetric high density nuclear matter, in which the pp and nn interactions are suppressed while the pn interactions are enhanced due to tensor interaction. We demonstrate that for sufficiently asymmetric case and high densities the momentum distribution of the smaller p-component is strongly deformed with protons increasingly populating the momentum states beyond the Fermi surface. This result is obtained by extracting the probabilities of two-nucleon (2N) SRCs from the analysis of the experimental data on high momentum transfer inclusive electro-nuclear reactions. We fitted the extracted probabilities as a function of nuclear density and asymmetry and used the fit to estimate the fractions of the off-Fermi shell nucleons in the superdense nuclear matter relevant to neutron stars. Our results indicate that starting at three nuclear saturation densities the protons with fractional densities 1/9 will populate mostly the high momentum tail of the momentum distribution while only 2% of the neutrons will do so. We discuss the implications of this condition for neutron stars and emphasize that it may be characteristic to any asymmetric two component Fermi system with suppressed central and enhanced short-range tensor interactions between the two components.

研究动机与目标

• 理解超致密非对称核物质中质子和中子的动量分布，特别关注离费米面壳核子。
• 利用短程相关（SRC）的实验数据，量化处于高动量态的核子比例。
• 探讨高动量尾部中质子富集对中子星物理（包括冷却和超流性）的影响。
• 为具有抑制同种核子相互作用、增强异种核子相互作用的非对称双组分费米系统建立通用框架。
• 评估将 SRC 概率从有限核外推至无限核物质和中子星的有效性与局限性。

提出的方法

• 从高动量转移的包含性电子散射（A(e,e′)X）数据中提取两核子 SRC 概率，选取动量大于 kF 的核子，其中 xBj > 1。
• 使用涵盖多种 A 和 Z 的实验数据，将 SRC 概率 a₂(ρ, y) 拟合为核密度 ρ 和不对称性 y = |1 − 2xp| 的函数。
• 在冲击近似下应用 2N SRC 模型，利用关系式 α ≈ xBj（当 Q² ≫ mN² 时），以分离高动量核子。
• 以氘核动量分布 nₚₙ(p) 为参考，通过关系式 nₚₙ(p) ∝ 1/(2xp/n) · a₂(A,y) · nₚₙ(p) 建模核素中的高动量分布。
• 通过将 a₂(ρ, y) 外推至高密度，将分析扩展至无限核物质，假设 A 依赖性反映了密度依赖性。
• 评估被忽略贡献（pp/nn SRC、3N SRC）的影响，并在外推中估计 30% 的误差范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 在密度和同位旋不对称性增加的条件下，超致密非对称核物质中质子和中子的高动量分布如何演化？
• RQ2 在 300–600 MeV/c 动量范围内，以张力为主导的 pn 相互作用在多大程度上抑制了 pp 和 nn 相关性？
• RQ3 在超过核饱和密度三倍的密度下，有多少比例的质子占据离费米面壳态？
• RQ4 高动量质子的主导性如何影响中子星冷却和超流性？
• RQ5 在核素中观测到的 SRC 行为能否推广至具有张量增强异种核子相互作用的非对称双组分费米系统的普遍行为？

主要发现

• 在核密度超过三倍饱和密度（3ρ₀）时，质子的分数密度为 1/9，占据动量分布的高动量尾部，而仅有 2% 的中子处于此类状态。
• 高动量质子比例随不对称性增加而上升，导致由于主导的张量驱动 pn 相关性，大量质子超出费米面。
• 质子处于 2N SRC 的概率与其分数丰度成反比，与模型 nₚ(p) ∝ 1/(2xₚ) · a₂(ρ,y) · nₚₙ(p) 一致。
• 观测到的高动量态中质子主导性使得即使在质子分数 xp < 1/9 时，也能实现直接 URCA 过程，从而将中子星冷却时间延长至标准阈值之外。
• 高动量态中质子的占据通过展宽能隙，抑制了质子超流性，从而改变了超导配对机制。
• 结果表明中子星核心可能存在潜在的“中子皮”效应，即由于高动量主导性，质子在核心区域富集，且由于 S=1、I=0 张量态中的同位旋锁定，导致状态方程变硬。