[論文レビュー] Proton induced spallation reactions in the energy range 0.1 - 10 GeV

Anna Kowalczyk|ArXiv.org|Jan 4, 2008

Nuclear physics research studies参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本博士論文は、ハドロン・ストリングダイナミクス（HSD）モデルと蒸発モデル（PACE 2）を組み合わせて、0.1–10 GeVのエネルギー範囲における陽子誘発スパラーション反応を調査している。HSDモデルは、特に中性子、陽子、重陽子の放出粒子スペクトルを実験データとよく一致させることを示しており、一般的に要因2以内の誤差で一致している。ただし、パイオンスペクトルは核物質内でのパイオン伝搬のモデル化の難しさにより、2倍程度過剰に予測されている。

ABSTRACT

One of considered nowadays scenarios of proton - nucleus reaction is spallation. Its motivation is based on experimental final-state observations of one heavy nucleus, a small number of light fragments and numerous individual nucleons. It is theoretically described as two step process involving energy deposition in the target nucleus and subsequent evaporation. Several models, based on different assumptions, have been constructed in order to describe the spallation process. The main subject of this work is description of global average properties of proton induced spallation reactions in wide range of projectile energy (0.1 - 10 GeV) and mass of target nuclei. This is investigated within Hadron String Dynamics (HSD) model, based on Boltzmann - Uehling - Uhlenbeck (BUU) equation, supplemented by a statistical evaporation model for the second stage of the reaction. It has been shown that spallation is the most probable scenario of proton - nucleus reaction. Proton induced reactions, in considered here incident energy range, are visibly non-invasive processes. Properties of residual nuclei after the first stage of the reaction are weakly dependent on incident energy, but strongly dependent on mass of target. The second stage of the reaction is a competition of evaporation and fission. Results obtained from the HSD model vary smoothly as function of proton incident energy and mass of target, so interpolation of the results is quite feasible.

研究の動機と目的

• 広いエネルギー範囲および質量範囲にわたる陽子誘発スパラーション反応の理論的枠組みの構築と検証。
• HSDモデルがスパラーション反応の第一段階（高速で非平衡状態）と第二段階（蒸発）を記述する予測能力を評価すること。
• HSDモデルの結果を実験データおよび他のマイクロスコピックモデルと比較し、モデルの信頼性と一貫性を評価すること。
• 残り核の性質および放出スペクトルが入射エネルギーおよび標的質量にどのように依存するかを調査すること。
• 現在のモデルにおける限界、特にパイオンスペクトルの予測に関する問題を特定し、その改善可能性を評価すること。

提案手法

• ハドロン・ストリングダイナミクス（HSD）モデルを用いて、陽子-核衝突の高速で非平衡状態の段階（核内カスケードおよび核子-核子相互作用を含む）をシミュレートする。
• PACE 2 蒸発モデルを用いて、励起された残り核が連続的に核子および軽いイオンを放出することで崩壊する第二段階を記述する。
• 二段階反応モデルを採用：第一にHSDモデルがエネルギー損失および初期の放出粒子スペクトルを計算し、第二に蒸発モデルが最終状態の粒子放出を計算する。
• モンテカルロ手法を用いて、核物質内での確率的粒子放出およびカスケード過程をシミュレートする。
• PISA共同研究グループおよび他の出典からの実験データと比較することで、HSDモデルのキャリブレーションとテストを実施する。
• さまざまな標的核および入射エネルギーにおいて、HSDモデルのパラメータを体系的に変化させ、結果の感度およびロバストネスを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HSDモデルは、陽子誘発スパラーション反応における中性子、陽子、重陽子、およびその他の放出粒子のスペクトルをどれほど正確に再現できるか？
• RQ2 残り核の性質および放出スペクトルは、入射陽子エネルギーおよび標的質量にどのように依存するか？
• RQ3 HSDモデルの予測は、他のマイクロスコピックモデル（例：INCL、QMD）および実験データと比較してどうなるか？
• RQ4 なぜHSDモデルはパイオンスペクトルを体系的に過剰に予測しているのか、その背後にある物理的制限は何か？
• RQ5 HSDモデルは、さまざまなエネルギーおよび標的に対してスパラーション反応データの補間および外挿にどれほど応用可能か？

主な発見

• 中性子、陽子、重陽子スペクトルのHSDモデル予測は、実験データと良好な定量的整合性を示しており、偏差は要因2以内である。
• パイオンスペクトルは最も正確に予測されておらず、HSDモデルはその生成断面積を約2倍過剰に予測している。これは主に、パイオンの核内中間状態での伝搬および吸収のモデル化が不完全であるためである。
• 第一段階後の残り核の性質は、入射エネルギーに対しては弱い依存性を示すが、標的質量に対しては強く依存しており、標的構造の支配的役割が示唆される。
• HSDモデルの結果は、入射エネルギーおよび標的質量とともに滑らかに変化し、0.1–10 GeV範囲における反応データの信頼性ある補間が可能である。
• HSDモデルの予測は、INCL や QMD などの他のマイクロスコピックモデルと整合しており、基礎的な仮定の堅牢性を示している。
• 二段階モデル（HSDによる高速カスケード、その後にPACE 2による蒸発）は、陽子誘発スパラーションの主要な特徴をうまく記述しており、これが主な反応メカニズムであることを確認している。