[論文レビュー] The physics models of FLUKA: status and recent development

A. Fassò, A. Ferrari+10 more|ArXiv.org|Jun 27, 2003

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 126

ひとこと要約

本論文は、低エネルギーから超高エネルギーにまで広がるハドロン-核子および核子-核子衝突を、微視的でチューニングを行わないアプローチでモデル化するFLUKAモンテカルロコードの物理モデルを提示する。RQMDおよびQMDのような高度なモデルの統合、実験データとの比較による妥当性の検証、および断片化や低エネルギーイオン輸送の改善を目的とした準平衡状態およびボルツマンに基づくコードとの今後の結合についても述べる。

ABSTRACT

A description of the intermediate and high energy hadronic interaction models used in the FLUKA code is given. Benchmarking against experimental data is also reported in order to validate the model performances. Finally the most recent developments and perspectives for nucleus-nucleus interactions are described together with some comparisons with experimental data.

研究の動機と目的

• 10,000 TeVまで粒子輸送を対象とするFLUKAモンテカルロコードに実装された物理モデルの包括的概要を提供すること。
• 実験データとのベンチマークを用いて、FLUKAの中間および高エネルギー核反応モデルの正確性を検証すること。
• 古くなった重ね合わせモデル近似に代わる新しいイオン反応モデルの統合を説明すること、これにより核子-核子衝突のシミュレーションが向上する。
• A–A衝突のシミュレーションのための新しいQMDベースのモデルの開発と検証、初期核配置および動的進化の記述。
• 準平衡状態およびボルツマンマスターエンジンコードとの今後の統合経路を提示し、低エネルギーおよび中間エネルギーイオン輸送の記述を改善すること。

提案手法

• FLUKAは、統合的観測量へのチューニングを避けて、基本的保存則に依拠する微視的で自己整合的なハドロン-核子反応モデルを採用している。
• 中エネルギー領域のハドロン-核子反応は、イソバールモデルにより記述され、Δ(1232)のような共鳴状態はブライト・ヴァイナー形式および位相シフトフィットによって記述される。
• 高エネルギー非弾性過程は、クォーク-パートン・ストリングモデルおよび二重パートンモデル（DPM）を用いてシミュレートされ、多粒子最終状態を記述するために主に2本のチェーン図が用いられる。
• 核子-核子衝突では、重ね合わせモデルがRQMD-2.4コードに基づく新しいイオン反応モデルに置き換えられ、完全なA–Aダイナミクスが扱われる。
• 新しいQMDコードは完全に新規に開発され、ヌクレオンにガウス波パッケージを用い、表面項および対称性項を含むスカーミー型非相対論的ハミルトニアンとクーロン反発力を用いる。
• 初期核配置は安定性、密度、運動量分布に基づいて選別され、不自然なヌクレオン放出を避けるもののみがシミュレーション用に保持される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FLUKAの微視的モデルは、広いエネルギー範囲におけるハドロン-核子反応について、実験データをどれほど正確に再現するか？
• RQ2 新しいRQMDベースのイオン反応モデルは、従来の重ね合わせモデル近似に比べて核子-核子衝突においてどのような改善をもたらすか？
• RQ3 新たに開発されたQMDコードは、A–A衝突における基底状態核の性質およびダイナミクス的進化をどれほど正確に再現するか？
• RQ4 QMDモデルにおける核配置の時間発展中に観察される主要な物理的特徴（例えば、平均二乗半径や密度の振動）は何か？
• RQ5 FLUKAと準平衡状態およびボルツマンマスターエンジンコードを結合することで、断片化および低エネルギーイオン反応の記述がどのように向上するか？

主な発見

• 修正版RQMD-2.4モデルを用いて、400 MeV/nでの二重微分的中性子生成および1.05 GeV/nでの断片生成について、FLUKAコードが実験データを良好に再現した。
• $^{20}$Ne、$^{40}$Ca、$^{90}$Zr核の平均二乗半径は、有限なフェルミ運動量と動的運動のため、時間とともに微小な振動を示し、初期状態が静的でないことを示している。
• $^{20}$Ne核の半径方向密度プロファイルは、時間発展中に平均値の周囲で振動を示し、内部力に起因する動的核反応を反映している。
• 新しいQMDモデルは、少数のパラメータで核の基底状態性質を妥当に再現できており、核の周期表全体にわたる精度を向上させるために、質量数に比例してガウス幅が増加するように設定されている。
• 初期配置は、不自然なヌクレオン放出を避けるとともに、数百fm/cにわたる時間スケールで正しい密度および運動量分布を維持するように慎重に選別された。
• 新しいイオン反応モデルの統合により、重ね合わせモデルは陳腐化し、高エネルギー領域におけるA–A衝突のより正確なシミュレーションが可能になった。