[論文レビュー] Analysis of Intermediate-Energy Nucleus-Nucleus Spallation, Fission, and Fragmentation Reactions with the LAQGSM code

S. G. Mashnik, K. K. Gudima+2 more|ArXiv.org|Aug 14, 2003

Nuclear reactor physics and engineering被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、中間エネルギー領域の核-核反応をシミュレートするためのモンテカルロイベントジェネレータであるLAQGSMコードを提示する。このコードは、プリ平衡崩壊を記述するIntranuclear Cascadeと修正版Excitonモデルに加え、高エネルギー相互作用を記述するQuark-Gluon String Model (QGSM) を統合している。95–600 MeV/nucleonの炭素から lead までの標的における反応について、中性子スペクトルと核分裂・散乱断片生成断面積を実験データと強く一致させ、1 GeV/nucleonまでに及ぶスパッタリング、核分裂、断片化断面積に対しても、パラメータフィッティングなしに良好な一致を示した。

ABSTRACT

The LAQGSM code has been recently developed at Los Alamos National Laboratory to simulate nuclear reactions for proton radiography applications. We have benchmarked our code against most available measured data both for proton-nucleus and nucleus-nucleus interactions at incident energies from 10 MeV to 800 GeV and have compared our results with predictions of other current models used by the nuclear community. Here, we present a brief description of our code and show illustrative results obtained with LAQGSM for neutron spectra measured recently by Nakamura's groups for reactions induced by light and medium nuclei on targets from C to Pb at several incident energies from 95 to 600 MeV/nucleon and with the recent GSI measurements of spallation, fission, and fragmentation yields from A+p and A+A reactions at incident energies near and below 1 GeV/nucleon. Further necessary work is outlined.

研究の動機と目的

• 広いエネルギー範囲にわたる中間エネルギー領域の核-核反応をシミュレートするためのLAQGSMコードの開発と検証を行う。
• 12Cから208Pbまでの標的に対する軽いおよび中程度の核において、実験データ（中性子スペクトルと断片生成率）と比較してLAQGSMの性能をベンチマーク化する。
• 特にスパッタリング、核分裂、断片化反応に関して、他のモデルと比較してLAQGSMの予測能力を評価する。
• 現在の実装における限界、特に角運動量および電磁的核分裂の欠如について特定し、今後のコード改善の方向性を示唆する。

提案手法

• LAQGSMはCEM2kのモジュールを用いて、核反応のプリ平衡および蒸発段階をモデル化する。
• 高エネルギー相互作用（最大1 TeV/nucleon）にはクォーク-グルーオンストリングモデル（QGSM）を組み込み、キャスケードダイナミクスおよび軽いイオンの最終状態凝集を含む。
• 各イベントごとに正確な運動量・エネルギー保存則を適用し、放出計算において現実的な結合エネルギーと縮小質量を用いる。
• 断片化および核分裂生成率は、LAQGSMをGEM2蒸発モデルと統合することでさらに精緻化され、GSIおよび中村グループのデータと照合された。
• キャスケードおよびプリ平衡段階において、準位密度パラメータ、核分裂障壁、パウリの禁制の改善を含む。
• モンテカルロシミュレーションを用いてイベントごとの反応結果を生成し、低生成率・中性子過剰核を対象とした統計的サンプリングを調整した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LAQGSMは、12Cから208Pbまでの標的に対する95–600 MeV/nucleonの核-核反応における測定済みの中性子スペクトルをどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 LAQGSM+GEM2は、複数の入射エネルギーおよび標的・標的組み合わせにおいて、断片生成率（核分裂およびスパッタリング生成物を含む）の全範囲を記述できるか？
• RQ3 1 GeV/nucleonの238U + 208Pb核分裂において、LAQGSM+GEM2が質量分布を再現できない理由は何か？この乖離に寄与する物理的要因は何か？
• RQ4 現在のLAQGSMおよびGEM2における限界（角運動量の欠如、電磁的核分裂の欠如）が、重イオン系の予測にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 LAQGSM+GEM2の結果は、プロジェクタイル断片化に関して、アブレーション-アブレーションモデルおよびQMDシミュレーションと比較してどの程度一致するか？

主な発見

• LAQGSM+GEM2は、12Cから208Pbまでの標的に対する95–600 MeV/nucleonのエネルギー領域で、測定済みの中性子スペクトルを良好に再現しており、特に軽いおよび中程度の核において顕著な一致を示した。
• 17–21Oビームが12C標的に当たる反応について、ZfおよびAf分布の実験的断面積と一致し、測定されていない核種の予測も可能であった。
• 950 MeV/nucleonの238U + 64Cu反応において、LAQGSM+GEM2は6桁のスケールにわたる全測定生成物断面積を再現したが、非常に中性子過剰核ではわずかな過大評価が見られた。これは統計的誤差の影響による可能性が高い。
• 1 GeV/nucleonの208Pb + 64Cu反応において、LAQGSM+GEM2は広範な断片の断面積を正確に予測した。
• 1.05 GeV/nucleonの40Arが9Be標的に当たる反応において、LAQGSM+GEM2はBからF核種の実験的断面積と一致し、測定されていない核種の予測も可能であった。
• 1 GeV/nucleonの238U + 208Pb核分裂における質量分布の乖離は、電磁的核分裂の欠如および現在のコードバージョンにおける角運動量処理の欠如に起因するとされた。