[論文レビュー] Superfluid dynamics of 258Fm fission

Guillaume Scamps, C. Simenel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2015

Nuclear physics research studies参考文献 1被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、258Fmの非断熱的かつ超伝導的動的をモデル化するため、時間に依存するハートリー・フォック法に動的BCS対称性を組み合わせたTDHF+BCS手法を提案する。この手法により、量子的殻効果および平均場を越える揺らぎが、特にZ=50殻閉じの支配する二重モードの断離に特徴的な質量および電荷分布を決定することが明らかになった。実験データと良好な一致を示した。

ABSTRACT

Theoretical description of nuclear fission remains one of the major challenges of quantum many-body dynamics. The slow, mostly adiabatic motion through the fission barrier is followed by a fast, non-adiabatic descent of the potential between the fragments. The latter stage is essentially unexplored. However, it is crucial as it generates most of the excitation energy in the fragments. The superfluid dynamics in the latter stage of fission is obtained with the time-dependent Hartree-Fock theory including BCS dynamical pairing correlations. The fission modes of the 258Fm nucleus are studied. The resulting fission fragment characteristics show a good agreement with experimental data. Quantum shell effects are shown to play a crucial role in the dynamics and formation of the fragments. The importance of quantum fluctuations beyond the independent particle/quasi-particle picture is underlined and qualitatively studied.

研究の動機と目的

• 独立粒子近似を超えた超伝導的ペアリング相関を含む、核分裂の微視的かつ非断熱的記述を開発すること。
• 特に断離に近い段階における、量子的殻効果およびペアリング相関が断片形成に果たす役割を調査すること。
• 非断熱段階における平均場を越える揺らぎの重要性、特に励起エネルギーおよび断片分布の幅に与える影響を評価すること。
• 258Fmの核分裂断片特性（質量、電荷、運動エネルギー）を定量的かつパラメータフリーに予測すること。258Fmは二重モード分裂が観測されていることで知られている。
• 超伝導的分裂動的を記述する枠組みを、中性子過剰およびダブルマジック核を含む核マップ全体に適用可能なものとすること。

提案手法

• 分裂過程を2段階に分割する：分裂の障壁付近での断熱的進化には、BCSペアリングを含む制約ハートリー・フォック法（CHF+BCS）を用い、断離への非断熱的下降には時間に依存するハートリー・フォック法に動的ペアリングを組み合わせたTDHF+BCSを用いる。
• TDHF+BCS方程式を数値的に解き、核密度行列およびペアリング場の時間発展を追跡することで、最終的下降段階における非断熱効果を捉える。
• 粒子数射影技術を用いて断片の性質を抽出し、プロトンおよび中性子数分布を計算するためにPfaffian法を用いる。
• 殻効果の影響を、異なる分裂モード（scf, aef, sef）の断片分布を比較することで分析する。特にscfモードにおけるZ=50殻閉じの影響に注目する。
• 時間に依存する平均場近似（TDRPA）を用いて、平均場を越える揺らぎを定性的に評価する。数値的推定により、核子数分布の標準偏差が増大していることが示された。
• 258Fmにこの手法を適用し、質量および電荷分布に対する予測力の検証を行う。258Fmは実験的に観測された二重モード分裂を示す核として知られている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導的ペアリング相関は、258Fmの非断熱的下降段階における分裂断片の動的および最終的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ2 特にZ=50における量子的殻効果は、258Fmで観測された二重モード分裂行動をどの程度決定づけているか？
• RQ3 非断熱段階において、平均場を越える揺らぎは、断片の質量および電荷分布の幅をどのように決定づけているか？
• RQ4 微視的TDHF+BCS手法は、特定の断離配置を仮定せずに、実験的分裂断片特性を再現できるか？
• RQ5 ペアリング相関は、特に断離モードにおいて、中性子数分布における奇数偶数効果にどのように寄与しているか？

主な発見

• TDHF+BCS手法は、258Fmの実験的分裂断片質量および電荷分布を良好な定量的一致で再現し、特に分裂の二重モード性を捉えている。
• 断離モード（scf）はZ=50における殻効果によって強く支配されており、Z=50にピークを持つ鋭いプロトン数分布が観測された。他のモードでは分布が広がっている。
• 中性子数分布は、scfモードでペアリング相関により強い奇数偶数効果を示すが、他の分裂モードではその効果は弱い。
• TDRPAを用いた平均場を越える揺らぎの推定により、scfモードにおける全核子数分布の標準偏差がσ_TDHF=1.35からσ_TDRPA=2.35に顕著に増大し、断片幅の決定に大きな役割を果たしていることが示された。
• 断片の最終的励起エネルギーのおよそ半数以上が、断離の10^-21秒（ゼプト秒）の直前において獲得されており、その大部分が低エネルギー集団振動モードに貯蔵されている。
• 特定の断離幾何形状を仮定せずとも、断片の全運動エネルギーを成功裏に予測でき、この手法の分裂動的予測力が裏付けられた。