[论文解读] Structure effects on the giant monopole resonance and determinations of the nuclear incompressibility

Kevin Howard|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2020

Nuclear physics research studies参考文献 5被引用 5

一句话总结

本论文通过在RCNP进行的100 MeV/u α粒子非弹性散射实验，研究了钼和钙同素异形体中结构效应对单体标量巨单极共振（ISGMR）的影响，采用马尔可夫链蒙特卡洛多极分解方法提取具有量化不确定度的强度分布。研究发现，开放壳核中ISGMR能量存在一致的高估现象——证实了在双幻数核90Zr之外也存在‘软化’效应——并通过排除正值$K_\tau$，解决了核不可压缩性不对称项中的矛盾，确立了$K_\tau = -510 \pm 115$ MeV。

ABSTRACT

Giant resonances are collective nuclear vibrations which provide a unique laboratory setting to probe the bulk properties of the nuclear force. One of the isoscalar compressional modes -- the isoscalar giant monopole resonance (ISGMR) -- is useful in constraining the equation of state (EoS) of nuclear matter. For example, the nuclear incompressibility, $K_\infty$, is a fundamental quantity in the EoS and is directly correlated with the energies of the ISGMR in finite nuclei. Previous work has shown that interactions with $K_\infty$ which reproduce the energies of the ISGMR in $^{208}$Pb and $^{90}$Zr well, overestimate those of the tin and cadmium nuclei. To further investigate where this "softness" appears in moving away from the doubly-closed nucleus $^{90}$Zr, and how this effect develops, the first portion of this thesis consists of measurements of the ISGMR in the molybdenum isotopes. Comparison of the ISGMR strengths with Random Phase Approximation calculations shows that these nuclei have ISGMR energies which are overestimated to a similar degree as seen in the tin and cadmium nuclei, while the strength of $^{208}$Pb is precisely reproduced. This suggests clearly that the molybdenum nuclei exhibit the same open-shell softness which has been documented previously. The ISGMR in isotopes encompassing a broad range of proton-neutron asymmetries constrains the dependence of the nuclear incompressibility on the isospin asymmetry, as quantified by the asymmetry term, $K_τ$. To reconcile previously-published and highly concerning conclusions that $K_τ= + 582$ MeV, the second portion of this thesis is focused upon independently studying this claim. A simultaneous measurement of the ISGMR in $^{40,42,44,48}$Ca has excluded the possibility of a positive value for $K_τ$, and found consistency with previous data, placing $K_τ$ at $-510 \pm 115$ MeV.

研究动机与目标

• 研究在锡、镉和90Zr等开放壳核中观测到的ISGMR能量‘软化’现象的起源，该现象偏离了基于闭壳核预测的结果。
• 确定相同的软化效应是否出现在钼同素异形体（94-100Mo）中，从而将研究范围从A≈90区域进一步拓展。
• 通过在40,42,44,48Ca中同时进行高精度ISGMR测量，解决关于核不可压缩性不对称项$K_\tau$的矛盾实验结果。
• 采用基于马尔可夫链蒙特卡洛的多极分解分析，提取具有量化不确定度的可靠ISGMR强度分布和中心能量。

提出的方法

• 在RCNP设施使用Grand Raiden磁谱仪，对94-100Mo和40-48Ca进行了100 MeV/u的非弹性α散射实验。
• 应用马尔可夫链蒙特卡洛框架对角分布进行多极分解，实现对ISGMR强度分布的稳健提取，并实现完整的不确定度量化。
• 采用变形波博恩近似（DWBA）模拟反应动力学，并提取光学模型参数，以实现角分布的精确模拟。
• 对钙同素异形体中的ISGMR能量进行勒普多尔马分析，通过能量系统学提取不可压缩性$K_\tau$的同位旋不对称依赖性。
• 对40,42,44,48Ca中的ISGMR进行同步测量，以独立检验关于$K_\tau$为正值的争议性结论。
• 使用24Mg(α,α')校准能量标度，并实施严格的数据还原处理，以最大限度减小污染和系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 此前在锡和镉中观测到的ISGMR能量软化现象，是否也出现在A≈90区域的钼同素异形体中？
• RQ2 ISGMR能量在钼同素异形体链中如何演化？这对开放壳核中核不可压缩性意味着什么？
• RQ3 在钙同素异形体中报告的不对称项$K_\tau = +582$ MeV是否与新的高精度数据一致？
• RQ4 核不可压缩性不对称项$K_\tau$的真实值是多少？它与核方程状态的同位旋依赖性有何关系？
• RQ5 壳隙和配对关联等结构效应在远离双闭壳核的核中对ISGMR响应的影响程度如何？

主要发现

• 94-100Mo中的ISGMR能量被理论模型高估的程度，与此前在锡和镉中观测到的‘软化’效应一致，证实该效应也存在于钼同素异形体中。
• 钼同素异形体中的ISGMR强度分布未显示显著的碎片化，且提取的中心能量系统性地高于理论预测，表明开放壳核中存在软化效应。
• 对40,42,44,48Ca中ISGMR的同步测量排除了$K_\tau$为正值的可能性，否定了此前报告的$K_\tau = +582$ MeV与数据不一致。
• 新数据得出$K_\tau = -510 \pm 115$ MeV，与早期结果一致，并解决了该领域内的矛盾。
• 钙同素异形体中的ISGDR和ISGQR响应随中子数增加而呈现增强的碎片化，但矩比分析表明在~20 MeV以上压缩响应保持稳定。
• 基于MCMC的多极分解方法提供了稳健且具有不确定度量化的强度分布，实现了对ISGMR中心能量和EWSR积分的可靠提取。