[論文レビュー] Fluctuation capture in non-polar gases and liquids

Daniel Cocks, Ronald D. White|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2016

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、非極性流体における軽い粒子（電子、陽電子、陽電子水素）の揺らぎ捕獲のためのパラメータフリーな理論的モデルを提案する。このモデルは散乱を介したミクロ的密度揺らぎへの捕獲に基づく。エネルギーに依存する捕獲断面積 σ_cap(ε) と待ち時間分布 θ(ε,t) を計算し、非平衡輸送シミュレーションを可能にするとともに、希ガスおよび液体における移動度と消失率の変化をうまく説明している。

ABSTRACT

We present a new model to identify natural fluctuations in fluids, allowing us to describe localization phenomena in the transport of electrons, positrons and positronium through non-polar fluids. The theory contains no free parameters and allows for the calculation of capture cross sections $σ_{cap}(ε)$ of light-particles in any non-polar fluid, required for non-equilibrium transport simulations. We postulate that localization occurs through large shallow traps before stable bound states are formed. Our results allow us to explain most of the experimental observations of changes in mobility and annihilation rates in the noble gases and liquids as well as make predictions for future experiments. Quantities which are currently inaccessible to experiment, such as positron mobilities, can be obtained from our theory. Unlike other theoretical approaches to localization, the outputs of our theory can be applied in non-equilibrium transport simulations and an extension to the determination of waiting time distributions for localized states is straight forward.

研究の動機と目的

• 気体および液体の両方に対応可能な、一般化されたパラメータフリーな非極性流体における揺らぎ捕獲理論の構築を目的とする。
• 既存のモデルがエネルギー依存の捕獲断面積と時間依存の局在ダイナミクスを欠いているという問題に応えること。
• 非平衡ab initio輸送シミュレーションへの揺らぎ捕獲の組み込みを可能にすること。
• 希ガスおよび液体における移動度の変化と消失率の増大といった実験的観察を説明すること。
• 測定されていない原子種と密度の組み合わせにおける輸送および局在行動を予測すること。

提案手法

• 粒子と相互作用ポテンシャルの間の散乱を、気体の散乱長近似を用いて大規模なミクロ的密度揺らぎに射影する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、さまざまな温度および密度における静的構造因子 S(0) を計算する。
• 散乱断面積と揺らぎサイズ分布から捕獲断面積 σ_cap(ε) を導出する。
• 密度揺らぎの時間発展を用いて、局在状態の待ち時間分布 θ(ε,t) を計算する。
• 理論モデルを希ガスおよび液体に適用し、移動度と消失率に関する実験データと照合する。
• 熱平均捕獲率 ν_cap^th を用いて理論の妥当性を評価し、消失周波数 ν_an などの実験的時間スケールと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー依存の捕獲断面積を予測できるように、自由パラメータのない非極性流体における揺らぎ捕獲をどのようにモデル化できるか？
• RQ2 ミクロ的密度揺らぎは、軽い粒子の局在に果たす役割は何か？また、古典的空孔モデルとはどのように異なるか？
• RQ3 捕獲状態の待ち時間分布を予測できれば、非平衡輸送シミュレーションが可能になるか？
• RQ4 希ガスにおける陽電子および陽電子水素の実験的消失率が、密度に線形に依存しないのはなぜか？
• RQ5 相互作用ポテンシャルの非線形性は、高密度流体における理論と実験の一致度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 理論はフィッティングパラメータなしに、エネルギー依存の捕獲断面積 σ_cap(ε) と待ち時間分布 θ(ε,t) を正確に予測している。
• ヘリウムおよびネオンの高密度気体における電子移動度、アルゴン、クリプトン、キセノンにおける陽電子消失率について、実験データと良好な一致を示している。
• ネオン気体および液体において、密度に伴い捕獲確率が指数関数的に増加することを予測しており、観測された活性化密度と整合的である。
• キセノンでは、気相および液相反で強い捕獲率を予測しており、気相反の実験観測と一致している。
• アルゴン液体における不一致は、散乱長近似で捉えきれない散乱ポテンシャル V₀ の非線形性に起因するとされる。
• 広く浅い揺らぎが原因で、希薄気体においても強い捕獲が持続することを理論が予測しており、陽電子水素の気泡形成観測における一見矛盾する結果を説明できる。