[論文レビュー] Impact of pear-shaped fission fragments on mass-asymmetric fission in actinides

Guillaume Scamps, C. Simenel|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2018

Nuclear physics research studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、アクチニド元素における崩壊生成物のオクテュボール（梨型）歪み—特にZ = 52–56付近—が、質量非対称崩壊を駆動する上で極めて重要な役割を果たしていることを示している。Z ≈ 52–56の生成物が、Z = 50に強い球形殻効果があるにもかかわらず支配的である理由を説明する。超流動的崩壊ダイナミクスの量子多体モデルを用いて、オクテュボール歪みが非対称崩壊経路を安定化させることを示し、一方で球形の魔法殻核（例：132Sn）はこのような歪みに抵抗し、生成物としての生成が妨げられることを明らかにした。

ABSTRACT

Abstract Nuclear fission of heavy (actinide) nuclei results predominantly in asymmetric mass splits1. Without quantum shell effects, which can give extra binding energy to their mass-asymmetric shapes, these nuclei would fission symmetrically. The strongest shell effects appear in spherical nuclei, such as the spherical ‘doubly magic’ (that is, both its atomic and neutron numbers are ‘magic’ numbers) nucleus 132Sn, which contains 50 protons and 82 neutrons. However, a systematic study of fission2 has shown that heavy fission fragments have atomic numbers distributed around Z = 52 to Z = 56, indicating that the strong shell effects in 132Sn are not the only factor affecting actinide fission. Reconciling the strong spherical shell effects at Z = 50 with the different Z values of fission fragments observed in nature has been a longstanding puzzle3. Here we show that the final mass asymmetry of the fragments is also determined by the extra stability provided by octupole (pear-shaped) deformations, which have been recently confirmed experimentally around 144Ba (Z = 56)4, 5, one of very few nuclei with shell-stabilized octupole deformation6. Using a quantum many-body model of superfluid fission dynamics7, we find that heavy fission fragments are produced predominantly with 52 to 56 protons, which is associated with substantial octupole deformation acquired on the way to fission. These octupole shapes, which favour asymmetric fission, are induced by deformed shells at Z = 52 and Z = 56. By contrast, spherical magic nuclei are very resistant to octupole deformation, which hinders their production as fission fragments. These findings may explain surprising observations of asymmetric fission in nuclei lighter than lead8.

研究の動機と目的

• アクチニド元素における崩壊生成物がZ ≈ 52–56を好み、Z = 50に強い球形殻閉じ込めがあるにもかかわらず、その理由を解明すること。
• オクテュボール（梨型）歪みが、崩壊生成物の質量非対称性に果たす役割を調査すること。
• Z = 50, N = 82をもつ双魔性核（例：132Sn）が、極めて高い安定性を示すにもかかわらず、なぜ崩壊生成物としてほとんど観測されないかを特定すること。
• 観測された崩壊生成物のZ分布と、オクテュボール歪みと歪んだ殻効果の相乗作用の関係を結びつけること。

提案手法

• アクチニド核の崩壊経路をシミュレートするために、超流動的崩壊ダイナミクスの量子多体モデルを採用する。
• 崩壊経路に沿った核の形状の変化を追跡し、オクテュボール（梨型）歪みの出現に注目する。
• Z = 52およびZ = 56における歪んだ殻効果が、非対称崩壊形状の安定性に与える影響を分析する。
• 球形魔法核（例：132Sn）がオクテュボール歪みに対して示す抵抗性と、Z = 52–56領域の歪んだ核との比較を行う。
• 144Ba（Z = 56）におけるオクテュボール歪みの実験的証明を、モデルの妥当性検証の基準として用いる。
• 殻効果と歪みエネルギーの競合に基づいて、非対称崩壊のエネルギー的優位性を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Z = 50に強い球形殻閉じ込めがあるにもかかわらず、なぜアクチニド元素の崩壊生成物がZ ≈ 52–56に偏っているのか。
• RQ2 オクテュボール（梨型）歪みが、アクチニド核における崩壊生成物の質量非対称性にどの程度影響を及ぼすのか。
• RQ3 Z = 52およびZ = 56における歪んだ殻効果が、非対称崩壊経路の安定性をどのように高めるのか。
• RQ4 Z = 50, N = 82をもつ双魔性核（例：132Sn）が、極めて高い安定性を示すにもかかわらず、なぜ崩壊生成物としてほとんど生成されないのか。
• RQ5 観測された崩壊生成物のZ分布は、オクテュボール歪みと殻効果の相乗作用によって説明可能か。

主な発見

• 特にZ = 56付近の崩壊生成物におけるオクテュボール（梨型）歪みが、質量非対称崩壊経路を顕著に安定化させる。
• Z = 52およびZ = 56における歪んだ殻効果の存在が、非対称崩壊形状の安定性を高め、これらの陽子数を持つ生成物の生成を促進する。
• 球形魔法核（例：132Sn）はオクテュボール歪みに対して抵抗を示し、高い殻エネルギーを有するにもかかわらず、生成物としての生成が制限される。
• モデルは、オクテュボール歪みと歪んだ殻安定化の相乗作用により、崩壊生成物が主に52〜56個の陽子をもつと予測している。
• 144Ba（Z = 56）におけるオクテュボール歪みの実験的確認は、このような形状がアクチニド元素における非対称崩壊の鍵を握っているというモデルの予測を支持する。
• 研究結果は、鉛より軽い核における非対称崩壊の驚くべき頻度が、Z = 50における球形殻効果が支配的でないことに起因することを説明している。