Electric dipole strength in $sd$-shell nuclei from small-angle proton scattering

Resumen Técnico: Fuerza del dipolo eléctrico en núcleos de la capa sd mediante dispersión de protones a ángulos pequeños

Problema y motivación
Las secciones eficaces totales de fotoabsorción son críticas para comprender la estructura nuclear y para aplicaciones en astrofísica, particularmente en relación con la composición de masa de los rayos cósmicos de ultra alta energía (UHECR). Si bien existen datos extensos para núcleos pesados derivados de reacciones $(\gamma, xn)$, los datos para núcleos ligeros son escasos. Esto se debe a que los umbrales de emisión de partículas cargadas en núcleos ligeros son típicamente de menor energía que los umbrales de neutrones, lo que hace que las mediciones de emisión de neutrones sean una aproximación inadecuada para las secciones eficaces totales. Además, los datos experimentales existentes para núcleos de la capa sd suelen mostrar grandes discrepancias. El proyecto PANDORA requiere un conocimiento sistemático de la fotoabsorción y la subsiguiente desintegración de partículas en núcleos ligeros para establecer parámetros de referencia para los modelos teóricos de las redes de interacción de los UHECR. Este trabajo aborda la necesidad de nuevos datos de alta calidad de fotoabsorción en la región de la capa sd utilizando una técnica experimental diferente a los haces de fotones tradicionales.

Metodología
El estudio utilizó la dispersión inelástica de protones en ángulo frontal $(p, p')$ con una energía incidente de 295 MeV en la instalación del ciclotrón RCNP en Osaka. Las mediciones se realizaron en una serie de núcleos de la capa sd: $^{20}$Ne, $^{24}$Mg, $^{26}$Mg, $^{28}$Si, $^{32}$S, $^{36}$Ar y $^{40}$Ca.

• Configuración experimental: Los espectros se registraron utilizando el espectrómetro magnético Grand Raiden en ángulos de dispersión que oscilan entre $0^\circ$ y $14^\circ$.
• Análisis de datos: Se midieron las secciones eficaces dobles diferenciales y se rebinaron a 250 keV. Se realizó un Análisis de Descomposición Multipolar (MDA) para extraer los componentes de dipolo eléctrico ($E1$) derivados de la excitación de Coulomb. Los factores de forma colectivos teóricos se calcularon mediante la aproximación de onda distorsionada de Born (DWUCK4) con parámetros de modelo óptico derivados de los datos de dispersión elástica.
• Manejo del fondo: Un desafío significativo en núcleos ligeros es el gran fondo nuclear de la dispersión cuasilibre, que escala de manera diferente a la sección eficaz de Coulomb. El fondo del continuo se restringió utilizando la sistemática empírica y formas de energía fijas, una suposición necesaria que introduce dependencia del modelo.
• Conversión: Las secciones eficaces $E1$ extraídas se convirtieron a secciones eficaces de fotoabsorción equivalentes utilizando el método del fotón virtual dentro del enfoque eikonal.
• Comparación teórica: Los resultados se compararon con las predicciones de una red neuronal artificial (ANN) basada en datos y con cálculos del Modelo de Capas de Interacción de Configuración (CI-SM) utilizando la interacción PSDPF. Los cálculos de CI-SM emplearon cargas efectivas renormalizadas para dar cuenta de las correlaciones más allá del espacio del modelo y fueron convolucionados con Lorentz para simular la resolución experimental.

Contribuciones clave y resultados

• Nuevos datos: Este trabajo presenta los primeros datos de la sección eficaz total de fotoabsorción para $^{20}$Ne, $^{26}$Mg y $^{36}$Ar.
• Validación y discrepancias:
  • Para $^{24}$Mg y $^{28}$Si, los resultados muestran un acuerdo razonable con experimentos previos, confirmando las posiciones de las estructuras principales.
  • Para $^{32}$S, los presentes resultados divergen significamente de las mediciones previas, mostrando más estructura y secciones eficaces generalmente mayores.
  • Para $^{40}$Ca, los resultados concuerdan estrechamente con un análisis MDA previo de los mismos datos basado en distribuciones angulares microscópicas.
• Desempeño de la ANN: Las predicciones de la ANN, entrenadas principalmente en núcleos más pesados, reprodujeron con éxito el promedio de la dependencia de la energía para $^{20}$Ne y $^{24}$Mg (por encima de 19 MeV), pero no lograron capturar la fuerte fragmentación de la Resonancia Gigante de Dipolo Isovector (IVGDR) observada en la capa sd. La ANN generalmente subestimó las secciones eficaces para $^{26}$Mg, $^{32}$S (por debajo de 22 MeV) y $^{36}$Ar.
• Comparación con el Modelo de Capas: Los cálculos de CI-SM proporcionaron una descripción satisfactoria de las distribuciones fragmentadas de la fuerza $E1$ y las secciones eficaces absolas para la mayoría de los núcleos ($^{20}$Ne, $^{24}$Mg, $^{28}$Si, $^{32}$S). Sin embargo, se encontraron discrepancias significativas para $^{26}$Mg y $^{36}$Ar, donde las secciones eficaces experimentales excedieron significativamente las predicciones teóricas. Para igualar los datos experimentales de estos dos núcleos, se requeriría un aumento de la regla de suma de Thomas-Reiche-Kuhn (TRK) de aproximadamente el 100%, un valor no reportado previamente en esta región de masa.
• Centroides y anchuras: Dentro del rango de energía de excitación de 12–20 MeV, los cálculos del modelo de capas reprodujeron los centroides y anchuras experimentales con desviaciones de raíz cuadrática media de 0.53 MeV y 0.28 MeV, respectivamente, aunque se observó un desplazamiento sistemático hacia energías más bajas.

Significancia y conclusiones
El artículo concluye que, a pesar de la reducción en la relación entre la sección eficaz de Coulomb y la sección eficaz nuclear en núcleos ligeros en comparación con núcleos de masa media y pesados, la dispersión de protones en ángulo frontal a cientos de MeV sigue siendo una herramienta valiosa para extraer la respuesta $E1$ nuclear. Sin embargo, la extracción es más dependiente del modelo que en sistemas más pesados, particularmente por encima de 20 MeV, debido a la necesidad de restringir el fondo del continuo con suposiciones adicionales.

El éxito general del enfoque del modelo de capas al describir las características de las secciones eficaces de fotoabsorción experimentales (con las excepciones señaladas de $^{26}$Mg y $^{36}$Ar) motiva su aplicación en cálculos de redes de reacción a gran escala destinados a comprender la composición de masa de los UHECR. Las discrepancias observadas en $^{26}$Mg y $^{36}$Ar, donde los resultados experimentales exceden la expecteda de agotamiento de la regla de suma, resaltan la necesidad de una mayor investigación experimental. El trabajo subraya la escasez de datos de fotoabsorción total en núcleos ligeros y los desafíos enfrentados tanto por los modelos de aprendizaje automático basados en datos como por las teorías microscópicas para reproducir la estructura fina de la IVGDR en esta región de masa.