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

Resumo Técnico: Força do Dipolo Elétrico em Núcleos da Camada sd via Espalhamento de Prótons em Pequenos Ângulos

Problema e Motivação
As seções de choque totais de fotoabsorção são críticas para a compreensão da estrutura nuclear e para aplicações em astrofísica, particularmente no que diz respeito à composição de massa de raios cósmicos de ultra-alta energia (UHECR). Embora existam dados extensos para núcleos pesados derivados de reações $(\gamma, xn)$, os dados para núcleos leves são escassos. Isso ocorre porque os limiares de emissão de partículas carregadas em núcleos leves são tipicamente de menor energia do que os limiares de nêutrons, tornando as medições de emissão de nêutrons uma aproximação inadequada para seções de choque totais. Além disso, os dados experimentais existentes para núcleos da camada sd frequentemente apresentam grandes discrepâncias. O projeto PANDORA requer conhecimento sistemático da fotoabsorção e subsequente decaimento de partículas em núcleos leves para servir de referência para modelos teóricos de redes de interação de UHECR. Este trabalho aborda a necessidade de novos dados de alta qualidade de fotoabsorção na região da camada sd utilizando uma técnica experimental diferente das tradicionais fontes de fótons.

Metodologia
O estudo utilizou o espalhamento inelástico de prótons em ângulo frontal $(p, p')$ com uma energia incidente de 295 MeV na instalação do ciclotron RCNP em Osaka. As medições foram realizadas em uma série de núcleos da camada sd: $^{20}$Ne, $^{24}$Mg, $^{26}$Mg, $^{28}$Si, $^{32}$S, $^{36}$Ar e $^{40}$Ca.

• Configuração Experimental: Os espectros foram registrados utilizando o espectrômetro magnético Grand Raiden em ângulos de espalhamento variando de $0^\circ$ a $14^\circ$.
• Análise de Dados: Seções de choque duplo-diferenciais foram medidas e rebinadas para 250 keV. Uma Análise de Decomposição Multipolar (MDA) foi realizada para extrair os componentes de dipolo elétrico ($E1$) provenientes da excitação de Coulomb. Fatores de forma coletivos teóricos foram calculados usando a aproximação de Born de onda distorcida (DWUCK4) com parâmetros de modelo óptico derivados de dados de espalhamento elástico.
• Tratamento de Background: Um desafio significativo em núcleos leves é o grande background nuclear proveniente do espalhamento quase livre, que escala de forma diferente da seção de choque de Coulomb. O background do contínuo foi restringido usando sistemáticas empíricas e formas de energia fixas, uma suposição necessária que introduz dependência de modelo.
• Conversão: As seções de choque $E1$ extraídas foram convertidas em seções de choque de fotoabsorção equivalentes usando o método do fóton virtual dentro da abordagem eikonal.
• Comparação Teórica: Os resultados foram comparados com previsões de uma rede neural artificial (ANN) baseada em dados e cálculos do Modelo de Camada de Interação Configuracional (CI-SM) utilizando a interação PSDPF. Os cálculos de CI-SM empregaram cargas efetivas renormalizadas para contabilizar correlações além do espaço do modelo e foram convoluídos com Lorentzians para simular a resolução experimental.

Principais Contribuições e Resultados

• Novos Dados: Este trabalho apresenta os primeiros dados de seção de choque de fotoabsorção total para $^{20}$Ne, $^{26}$Mg e $^{36}$Ar.
• Validação e Discrepâncias:
  • Para $^{24}$Mg e $^{28}$Si, os resultados mostram concordância razoável com experimentos anteriores, confirmando as posições das estruturas principais.
  • Para $^{32}$S, os presentes resultados divergem significativamente de medições anteriores, mostrando mais estrutura e, geralmente, maiores seções de choque.
  • Para $^{40}$Ca, os resultados concordam estreitamente com uma análise de MDA anterior dos mesmos dados baseada em distribuições angulares microscópicas.
• Desempenho da ANN: As previsões da ANN, treinadas majoritariamente em núcleos mais pesados, reproduziram com sucesso a dependência média de energia para $^{20}$Ne e $^{24}$Mg (acima de 19 MeV), mas falharam em capturar a forte fragmentação da Ressonância Gigante de Dipolo Isovetor (IVGDR) observada na camada sd. A ANN geralmente subestimou as seções de choque para $^{26}$Mg, $^{32}$S (abaixo de 22 MeV) e $^{36}$Ar.
• Comparação com o Modelo de Camada: Cálculos de CI-SM forneceram uma descrição satisfatória das distribuições de força $E1$ fragmentada e das seções de choque absolutas para a maioria dos núcleos ($^{20}$Ne, $^{24}$Mg, $^{28}$Si, $^{32}$S). No entanto, discrepâncias significativas foram encontradas para $^{26}$Mg e $^{36}$Ar, onde as seções de choque experimentais excederam significativamente as previsões teóricas. Para igualar os dados experimentais para esses dois núcleos, seria necessária uma exaustão da regra de soma de Thomas-Reiche-Kuhn (TRK) de aproximadamente 100%, um valor não relatado anteriormente nesta região de massa.
• Centroides e Larguras: Dentro do intervalo de energia de excitação de 12–20 MeV, os cálculos do modelo de camada reproduziram os centroides e larguras experimentais com desvios de raiz quadrada média de 0,53 MeV e 0,28 MeV, respectivamente, embora tenha sido observado um deslocamento sistemático para energias mais baixas.

Significância e Conclusões
O artigo conclui que, apesar da redução na razão entre as seções de choque de Coulomb e nuclear em núcleos leves comparados a núcleos de massa média e pesados, o espalhamento de prótons em ângulo frontal a centenas de MeV continua sendo uma ferramenta valiosa para extrair a resposta $E1$ nuclear. No entanto, a extração é mais dependente de modelo do que em sistemas mais pesados, particularmente acima de 20 MeV, devido à necessidade de restringir o background do contínuo com suposições adicionais.

O sucesso geral da abordagem do modelo de camada em descrever as características das seções de choque de fotoabsorção experimentais (com as exceções mencionadas para $^{26}$Mg e $^{36}$Ar) motiva sua aplicação em cálculos de redes de reação em larga escala visando compreender a composição de massa de UHECR. As discrepâncias observadas em $^{26}$Mg e $^{36}$Ar, onde os resultados experimentais excedem a exaustão da regra de soma esperada, destacam a necessidade de investigação experimental adicional. O trabalho ressalta a escassez de dados de fotoabsorção total em núcleos leves e os desafios enfrentados tanto por modelos de aprendizado de máquina baseados em dados quanto por teorias microscópicas para reproduzir a estrutura fina da IVGDR nesta região de massa.