[論文レビュー] Fragment Intrinsic Spins and Fragments' Relative Orbital Angular Momentum in Nuclear Fission

Bulgac, Aurel, Abdurrahman, Ibrahim+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2021

Nuclear physics research studies被引用数 46

ひとこと要約

本研究は、時間に依存する密度汎関数理論（TDDFT）を用いて、236U∗、240Pu∗、252Cfにおける崩壊断片の内部スピンおよび相対的な軌道的角運動量について、制約のない最初の微視的計算を実施した。その結果、断片の力学的挙動は、従来の現象論的モデルが想定していたものとは対照的に、曲げ集団モードによって支配されていることが明らかになった。

ABSTRACT

We present the first fully unrestricted microscopic calculations of the primary fission fragment intrinsic spins and of the fission fragments' relative orbital angular momentum for $^{236}$U$^*$, $^{240}$Pu$^*$, and $^{252}$Cf using the time-dependent density functional theory framework. Within this microscopic approach, free of restrictions and unchecked assumptions and which incorporates the relevant physical observables for describing fission, we evaluate the triple distribution of the fission fragment intrinsic spins and of their fission fragments' relative orbital angular momentum and show that their dynamics is dominated by their bending collective modes, in contradistinction to the predictions of the existing phenomenological models and some interpretations of experimental data.

研究の動機と目的

• アクチニド元素における崩壊断片の内部スピンおよび相対的軌道的角運動量を、完全に微視的かつ制約なしの記述を提供すること。
• 断片の角運動量の起源に関する長年の曖昧さ、特に集団モードの役割を解明すること。
• 検証のない仮定に基づく現象論的モデルを、厳密に導かれた量子多体理論枠組みで置き換えること。
• 時間発展TDDFT波動関数を用いて、三重確率分布 P(SL, SH, Λ) を計算すること。
• 鞍部から断片化までの間、断片間の角運動量分配の力学を、恣意的な制約なしに解明すること。

提案手法

• 外鞍部から断片化までの崩壊力学を、超伝導系に拡張された時間に依存する密度汎関数理論（TDDFT）を用いてシミュレートした。
• 三重角運動量射影を、重ね合わせ ⟨Φ|eiβ0(JLx+JHx)eiβLJLx eiβHJHx|Φ⟩ を用いて実行し、P(SL, SH, Λ) を抽出した。
• 1 fmの格子間隔と pcut ≈ 600 MeV/c の運動量カットオフを用いた2つの核エネルギー密度関数（SkM∗ および SeaLL1）を用いた。
• 角運動量保存則を保つために、三角不等式制約 |SL − SH| ≤ Λ ≤ SL + SH をステップ関数 △ = Θ(Λ ≥ |SL − SH|)Θ(Λ ≤ SL + SH) で強制した。
• 外鞍部付近のさまざまな Q20 および Q30 への歪みから出発する初期波動関数を時間発展させ、断片分離が30 fmを超えて進むまで追跡した。
• スピン間の角度の余弦 cos φLH を、ランガー補正を施した公式を用いて計算し、スピン相関を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 崩壊断片の内部スピンの微視的起源は何か？ また、相対的軌道的角運動量とどのように相関しているか？
• RQ2 236U∗、240Pu∗、252Cfの一次崩壊において、断片の内部スピンおよび相対的軌道的角運動量はどのように分布しているか？
• RQ3 崩壊断片の角運動量力学が、ねじれや振動モードなど他のモードと比較して、曲げ集団モードによってどれほど支配されているか？
• RQ4 完全に微視的なTDDFTフレームワークからの結果は、現象論的モデルや実験的解釈とどのように対比されるか？
• RQ5 集団モードは、自発的および中性子誘発崩壊における三重分布 P(SL, SH, Λ) をどのように形成しているか？

主な発見

• 252Cf(sf)の軌道的角運動量分布は、SeaLL1を用いると ⟨Λ⟩ = 14.7 (7.1)、SkM∗を用いると ⟨Λ⟩ = 13.3 (6.5) でピークを示し、顕著な角運動量移動が生じていることが示唆された。
• 236U∗では、平均的な相対的軌道的角運動量が、SeaLL1で ⟨Λ⟩ = 12.6 (6.2)、SkM∗で ⟨Λ⟩ = 10.9 (5.4) であり、高い角運動量移動が一貫して観察された。
• 240Pu∗では、⟨Λ⟩ = 12.6 (6.2)（SeaLL1）および ⟨Λ⟩ = 11.3 (5.6)（SkM∗）であり、アクチニド元素全体で類似の傾向が見られた。
• 内部スピン分布では、236U∗においてSeaLL1で ⟨SL⟩ ≈ 11.8 (5.8)、⟨SH⟩ ≈ 11.0 (5.3) となり、強いスピン整列が示された。
• 断片スピン間の角度 φLH は強く相関しており、cos φLH は1に近いピークを示し、SL と SH が優位に整列していることが示された。
• 結果は「引きちぎれるゴムバンド」モデルとは矛盾し、むしろねじれや縦方向モードではなく、曲げモードが力学を支配していることが明らかになった。