[論文レビュー] Prompt muon-induced fission: a sensitive probe for nuclear energy dissipation and fission dynamics

V. E. Oberacker, A. S. Umar+1 more|ArXiv.org|Mar 30, 2004

Muon and positron interactions and applications参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、アクチニド元素における核エネルギー散逸および核分裂ダイナミクスを高感度で探査するためのプロンプトミューオン誘発分裂を提案する。時間発展ディラック方程式およびシュレーディンガー方程式を用いて計算された軽い分裂生成物へのミューオン付着確率を活用することで、散逸エネルギー（0–10 MeV）および分裂遅延時間（最大2×10⁻²¹ s）が核摩擦に依存し、二体衝突と一本体平均場散逸メカニズムを区別できることを明らかにする。

ABSTRACT

Following the formation of an excited muonic atom, inner shell transitions may proceed without photon emission by inverse internal conversion, i.e. the muonic excitation energy is transferred to the nucleus. In actinides, the 2p -> 1s and the 3d -> 1s muonic transitions result in excitation of the nuclear giant dipole and giant quadrupole resonances, respectively, which act as doorway states for fission. The nuclear excitation energy is typically 6.5 - 10 MeV. Because the muon lifetime is long compared to the timescale of prompt nuclear fission, the motion of the muon in the Coulomb field of the fissioning nucleus may be utilized to learn about the dynamics of fission.

研究の動機と目的

• 分裂における核エネルギー散逸メカニズムを調査し、特に二体衝突と平均場由来の一本体摩擦の違いを明確にすること。
• 分裂ダイナミクスのプローブとしてプロンプトミューオン誘発分裂を用いること。ミューオンの寿命が分裂時スケールに対して長いことを利用する。
• 核摩擦およびエネルギー散逸に応じた軽い分裂生成物へのミューオン付着確率を計算すること。
• 理論的予測を実験データと比較し、237Npのようなアクチニド元素における分裂ダイナミクスおよびエネルギー散逸を制約すること。
• 巨大四極子および電気双極子共鳴状態が、ミューオン原子における逆内部コンバージョンに続く分裂のドアウェイ状態として果たす役割を検証すること。

提案手法

• 準分子波動関数を用いたボルン＝オッペンハイマー展開を用いて、非相対論的時間発展シュレーディンガー方程式を解く。
• 3次元直交座標格子上でのBスプラインコロケーション法を用いて、相対論的時間発展ディラック方程式を解き、より高い精度と柔軟性を実現する。
• 軸対称性を持つ分裂核の時間発展クーロンポテンシャルをモデル化し、原則的には非軸対称形状を許容する。
• 分裂過程における分子軌道間（例：1sσから2pσ）のミューオン遷移確率を計算し、軽い生成物と重い生成物への付着を特定する。
• 線形摩擦力に基づく散逸関数を用いて、分裂中の中性子および光子放出に伴うエネルギー損失をモデル化する。
• 摂動論を適用し、分裂過程における断面積の変化に伴う核ポテンシャルの変化（呼吸モード）を補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分裂過程における核摩擦が、軽い分裂生成物へのミューオン付着確率にどのように影響するか？
• RQ2 二体衝突と一本体平均場摩擦の両方がエネルギー散逸に与える相対的寄与はどの程度か？
• RQ3 ミューオン付着確率が分裂時の散逸エネルギーにどの程度依存するか？
• RQ4 分裂核の時間発展クーロン場内を運動するミューオンが、分裂過程のダイナミクスを明らかにできるか？
• RQ5 巨大電気双極子および四極子共鳴状態は、ミューオン原子における逆内部分裂に続く分裂のドアウェイ状態としてどのように機能するか？

主な発見

• 237Npについて、理論モデルは実験データと整合する0–10 MeVの散逸エネルギーを予測する。
• 鞍部から切断までの分裂遅延時間は最大2×10⁻²¹ sと推定され、散逸エネルギー範囲の上限に対応する。
• 軽い生成物へのミューオン付着確率PLは質量非対称性に強く依存し、実験観測と一致する。
• PLが全散逸エネルギーに対して相対的に弱い依存性を示すことがモデルで予測され、付着ダイナミクスにおいて質量非対称性が支配的であることが示唆される。
• 3次元格子計算において顕著なミューオンイオン化は観測されず、ミューオンが分裂過程全般にわたり生成物に束縛されたままであることが示される。
• 生成物の呼吸モードに起因するエネルギー散逸は約1 MeVにとどまり、弱い減衰を示し、集団的運動が速いことを支持する。