Looking for Short-Range Correlations in proton-induced QFS reactions in inverse kinematics
Recherche de corrélations à courte portée dans les réactions QFS induites par des protons en cinématique inverse
Résumé
Many-body systems composed of fermions are common in nature, such as high-temperature superconductors, Fermi liquids, atomic nuclei, quark matter, and neutron stars. The complexity of interactions between particles makes it difficult to solve the equations governing particle dynamics in these quantum systems. To simplify, these systems are often modeled using independent particles in an effective mean-field potential. However, residual interactions reveal significant correlations that affect the occupation of states below and above the Fermi level. Atomic nuclei, with their short-range interactions, are particularly interesting. The physics of short-range correlations (SRC) arises from short-distance interactions and manifests as nucleon pairs. SRC pairs have a high relative momentum and a low center-of-mass momentum compared to the Fermi momentum (kF = 250 MeV/c). These pairs form temporary high-density fluctuations, limited by the highly repulsive nucleon-nucleon interaction at distances less than about 1 fm. Most of our knowledge about SRC comes from electron and proton scattering experiments. Studies indicate that about 20% of bound nucleons occupy this high-momentum region. The first experimental evidence of SRC was provided by measuring a high-momentum tail in the proton momentum distributions during electron scattering experiments. To study SRC in neutron-rich nuclei, we used Quasi-Free Scattering (QFS) reactions in inverse kinematics, with radioactive ion beams on a proton target at the R3B facility of the GSI accelerator in Germany. This method allowed us to study SRC properties, including np/pp pair ratios and momentum distributions, focusing on the 12C and 16C nuclei with a beam energy of 1.25 GeV/u. The main objectives were to develop a methodology to differentiate between scattering reactions on SRC pairs and reactions on a proton followed by final-state interactions (FSI) and to extend SRC studies to neutron-rich nuclei, particularly exotic nuclei like 16C. The analysis involved identifying SRC events produced via 12C(p, 2pN)A-2 and 16C(p, 2pN)A-2 reactions. We extracted np/pp pair ratios lower than the predictions of the Generalized Contact Formalism and previous experimental results, suggesting interference from FSI and mean-field effects. Difficulties arose in isolating SRC events, and we hypothesized that the cross-section for SRC pair breaking might be reduced at the 1.25 GeV/u beam energy. Additionally, limited momentum resolution reduced our ability to separate SRC events from other competing channels, indicating the need to improve the detection system. The limited usable statistics and acceptance limits of the experimental setup did not allow us to achieve exclusive SRC measurements but provided essential information for improving future studies at R3B. This research constitutes a fundamental step in studying SRC using inverse kinematics. Despite the difficulties, the developed methodology provides important information to better identify SRC physics. Future experiments should consider higher beam energies or better detection techniques to better isolate SRC events.
Les systèmes à plusieurs corps composés de fermions sont courants dans la nature, tels que les supraconducteurs à haute température, les liquides de Fermi, les noyaux atomiques, la matière de quarks et les étoiles à neutrons. La complexité des interactions entre les particules rend difficile la résolution des équations de la dynamique des particules dans ces systèmes quantiques. Pour simplifier, on modélise souvent ces systèmes en utilisant des particules indépendantes dans un potentiel de champ moyen effectif. Cependant, les interactions résiduelles révèlent des corrélations significatives qui affectent l’occupation des états en dessous et au-dessus du niveau de Fermi. Les noyaux atomiques, avec leurs interactions à courte portée, sont particulièrement intéressants. La physique des corrélations à courte portée (SRC) découle des interactions à courte distance et se manifeste sous la forme de paires de nucléons. Les paires SRC ont une impulsion relative élevée et une impulsion de leur centre de masse faible par rapport à l’impulsion de Fermi (kF = 250 MeV/c). Ces paires forment des fluctuations temporaires de haute densité, limitées par l’interaction nucléon-nucléon répulsive à des distances inférieures à environ 1 fm. La plupart des connaissances sur les SRC proviennent d’expériences de diffusion d’électrons et de protons. Les études indiquent qu’environ 20% des nucléons liés occupent cette région à haute impulsion. La première preuve expérimentale des SRC a été apportée par la mesure d’une queue à haute impulsion dans les distributions d’impulsions des protons lors d’expériences de diffusion d’électrons. Pour étudier les SRC dans les noyaux riches en neutrons, nous avons utilisé des réactions de Quasi-Free Scattering (QFS) en cinématique inverse, avec des faisceaux d’ions radioactifs sur une cible de protons à l’installation R3B de GSI en Allemagne. Cette méthode a permis d’étudier les propriétés des SRC, y compris les rapports de paires np/pp et les distributions d’impulsion, en se concentrant sur les noyaux 12C et 16C avec une énergie de faisceau de 1,25 GeV/u. Les principaux objectifs étaient de développer une méthodologie pour différencier les réactions de diffusion sur des paires SRC des réactions sur un proton suivies par des interactions finales (FSI) et d’étendre les études des SRC aux noyaux riches en neutrons, en particulier les noyaux exotiques comme 16C. L’analyse consistait à identifier les événements SRC produits via les réactions 12C(p, 2pN)A-2 et 16C(p, 2pN)A-2. Des rapports de paires np/pp inférieurs aux prédictions du Generalized Contact Formalism et aux résultats expérimentaux antérieurs ont été extraits, suggérant une interférence des FSI et des effets de champ moyen. Des difficultés sont apparues pour isoler les événements SRC, et nous avons supposé que la section efficace pour la rupture de paires SRC pourrait être réduite à l’énergie de 1,25 GeV/u. De plus, la résolution limitée en impulsion a réduit notre capacité à séparer les événements SRC des autres canaux concurrents, indiquant la nécessité d’améliorer le système de détection. Les faibles statistiques utilisables et les limites d’acceptance de l’équipement expérimental ne nous ont pas permis de réaliser une mesure exclusive des SRC, mais ont fourni des informations essentielles pour améliorer les études futures à R3B. Cette recherche constitue une étape fondamentale dans l’étude des SRC en cinématique inverse. Malgré les difficultés, la méthodologie développée fournit des informations importantes pour mieux identifier la physique des SRC. Les futures expériences devraient envisager des énergies de faisceau plus élevées ou de meilleures techniques de détection pour mieux isoler les événements SRC.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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