[论文解读] Probing nuclear structure with mean transverse momentum in relativistic isobar collisions

H. Xu, W. Zhao+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2021

High-Energy Particle Collisions Research被引用 6

一句话总结

该论文提出利用等量异位素 $^{96}$Ru+$^{96}$Ru 与 $^{96}$Zr+$^{96}$Zr 碰撞之间的平均横向动量比值 ($R_{\langle p_{\perp}\rangle}$) 来探测核结构，借助流体动力学模拟表明，$R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 对整体介质动力学不敏感，但对中子皮层厚度和核形变敏感。关键结果是在中心碰撞中，$R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 与椭圆流 ($v_2$) 呈反相关，从而可提取形变参数与对称能斜率参数。

ABSTRACT

Transverse momentum ($p_{T}$) generation in relativistic heavy ion collisions is sensitive to the initial geometry and the final-state bulk evolution. We demonstrate with hydrodynamic calculations that the mean $p_T$ ratio ($R_{\langle p_{T} angle}$) between the highly similar isobar $^{96}_{44}$Ru+$^{96}_{44}$Ru and $^{96}_{40}$Zr+$^{96}_{40}$Zr collisions is insensitive to the bulk evolution and remains sensitive to the small difference in the initial nuclear structure (neutron skin and deformation) between the Ru and Zr nuclei.We further find that nuclear deformation can produce an anticorrelation between $R_{\langle p_{T} angle}$ and eccentricity (or elliptic flow) in central collisions. These findings suggest that the $R_{\langle p_{T} angle}$ between the isobar systems can be used to measure the neutron skin thickness and deformation parameters, which can in turn constrain the nuclear symmetry energy slope parameter.

研究动机与目标

• 探究等量异位素 $^{96}$Ru+$^{96}$Ru 与 $^{96}$Zr+$^{96}$Zr 碰撞之间的平均横向动量比值 ($R_{\langle p_{\perp}\rangle}$) 是否可作为核结构的探针。
• 确定 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 对中子皮层厚度与核形变的敏感性，即使在整体介质不确定性存在的情况下。
• 探索 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 与椭圆流 ($v_2$) 之间的相关性是否可在中心碰撞中分离出形变效应。
• 证明 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 可通过中子皮层与形变约束提取对称能斜率参数 $L$。

提出的方法

• 采用 (2+1) 维黏性流体动力学模型 iEBE-VISHNU 模拟相对论性等量异位素碰撞。
• 计算 $R_{\langle p_{\perp}\rangle} = \langle p_{\perp}^{\text{Ru}} \rangle / \langle p_{\perp}^{\text{Zr}} \rangle$ 以隔离结构效应与整体动力学的干扰。
• 使用事件逐次的 $v_2^{\{2\}}$ 累积量将 $R_{\langle p_{\perp}\rangle（\text{Ru}} \rangle / \langle p_{\perp}^{\text{Zr}} \rangle$ 与初始几何各向异性相关联。
• 在核密度分布中改变中子皮层厚度 ($\Delta r_{\rm np}$) 与四极形变 ($\beta_2$) 以评估其对 $S_{\perp}$ 与 $\langle p_{\perp}\rangle$ 的影响。
• 通过比较球形与形变核几何结构的结果，分离出形变对 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 的影响。
• 通过将剪切黏度与体积黏度各变化两倍，评估其对 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 的敏感性，以检验其对流体动力学参数的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在等量异位素 $^{96}$Ru+$^{96}$Ru 与 $^{96}$Zr+$^{96}$Zr 碰撞中，$R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 比值是否可在不显著受整体介质演化影响的情况下用于探测核结构？
• RQ2 中子皮层厚度与核形变如何独立影响横向重叠面积 $S_{\perp}$，从而影响 $\langle p_{\perp}\rangle$？
• RQ3 在中心碰撞中，由于形变的存在，$R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 与 $v_2^{\{2\}}$ 是否会出现反相关？该反相关性是否可用于提取形变参数？
• RQ4 在多大程度上 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 对黏度及其他流体动力学不确定性不敏感，从而可实现核结构参数的稳健提取？

主要发现

• $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 比值对整体黏度与剪切黏度的变化不敏感，表明其对流体动力学不确定性具有鲁棒性。
• $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 比值仍对初始核结构的微小差异敏感，特别是中子皮层厚度（$^{96}$Zr 为 $0.183$ fm，$^{96}$Ru 为 $0.042$ fm）与形变（$^{96}$Ru 的 $\beta_2 = 0.16$）。
• 在中心碰撞（前 5% 中心度）中观察到 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 与 $v_2^{\{2\}}$ 的反相关性，该现象在形变核 $^{96}$Ru 中最强，而在球形核中则完全不存在。
• 该反相关性源于形变增加了初始几何各向异性 ($\epsilon_2$)，从而增强 $v_2$，同时 $S_{\perp}$ 减小，导致 $^{96}$Ru+$^{96}$Ru 碰撞中 $\langle p_{\perp}\rangle$ 净减少，从而使 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 增大。
• $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$-$v_2$ 反相关性提供了一种模型无关的方法来提取核形变，因其对非流污染不敏感且对核密度差异不敏感。
• 一旦通过 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$-$v_2$ 相关性约束了形变，即可从 $R_{\langle p_{\perp}\rangle}$ 提取中子皮层厚度，从而为对称能斜率参数 $L$ 提供新约束。