[논문 리뷰] Fluctuation capture in non-polar gases and liquids

Daniel Cocks, Ronald D. White|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 25.

Spectroscopy and Laser Applications참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비극성 유체에서 경량 입자(전자, 양전자, 양전자-전자-양성자)의 변동 포획을 위한 자유 매개변수 없는 이론적 모델을 제안한다. 이는 거대 척도의 중간 척도 밀도 변동으로의 산란에 기반한다. 에너지 의존성 포획 단면적 σ_cap(ε) 과 대기 시간 분포 θ(ε,t) 를 계산하여 비평형 운반 시뮬레이션을 가능하게 하며, 희귀 기체와 액체에서 이동도 및 붕괴 비율 변화를 성공적으로 설명한다.

ABSTRACT

We present a new model to identify natural fluctuations in fluids, allowing us to describe localization phenomena in the transport of electrons, positrons and positronium through non-polar fluids. The theory contains no free parameters and allows for the calculation of capture cross sections $σ_{cap}(ε)$ of light-particles in any non-polar fluid, required for non-equilibrium transport simulations. We postulate that localization occurs through large shallow traps before stable bound states are formed. Our results allow us to explain most of the experimental observations of changes in mobility and annihilation rates in the noble gases and liquids as well as make predictions for future experiments. Quantities which are currently inaccessible to experiment, such as positron mobilities, can be obtained from our theory. Unlike other theoretical approaches to localization, the outputs of our theory can be applied in non-equilibrium transport simulations and an extension to the determination of waiting time distributions for localized states is straight forward.

연구 동기 및 목표

• 기체와 액체 모두에 적용 가능한 일반적이고 자유 매개변수 없는 변동 포획 이론을 개발하기 위해.
• 기존 모델에서 에너지 의존성 포획 단면적과 시간 의존성 국소화 역학의 부족을 해결하기 위해.
• 비평형 백터-아웃 이론 운반 시뮬레이션에 변동 포획을 포함시킬 수 있도록 하기 위해.
• 희귀 기체와 액체에서 이동도 변화 및 붕괴 비율 증가와 같은 실험 관측 결과를 설명하기 위해.
• 측정되지 않은 원소 조합과 밀도 조합에서의 운반 및 국소화 거동을 예측하기 위해.

제안 방법

• 상호작용 포텐셜에 대해 기체의 산란 길이 근사를 사용하여 대규모 중간 척도 밀도 변동으로의 경량 입자 산란을 모델링한다.
• 다양한 온도와 밀도에서 정적 구조 인자 S(0) 를 계산하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한다.
• 산란 앰플리튜드와 변동 크기 분포에서 포획 단면적 σ_cap(ε) 를 유도한다.
• 밀도 변동의 시간 진화를 사용하여 국소화 상태에 대한 대기 시간 분포 θ(ε,t) 를 계산한다.
• 모델을 희귀 기체와 액체에 적용하여 이동도 및 붕괴 비율에 대한 실험 데이터와 예측을 비교한다.
• 열 평균 포획 속도 ν_cap^th 를 평가하고, 붕괴 주파수 ν_an 과 같은 실험적 시간 스케일과 비교하여 타당성을 검토한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 의존성 포획 단면적을 예측할 수 있는 자유 매개변수 없는 변동 포획 모델링은 어떻게 가능할 수 있는가?
• RQ2 중간 척도 밀도 변동은 경량 입자의 국소화에 어떤 역할을 하는가? 기존의 고전적 빈칸 모델과는 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ3 포획 상태에 대한 대기 시간 분포를 예측할 수 있는가? 이를 통해 비평형 운반 시뮬레이션을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 왜 희귀 기체에서 양전자 및 양전자-전자-양성자의 실험적 붕괴 비율이 밀도의 선형 의존성과 다를 수 있는가?
• RQ5 상호작용 포텐셜의 비선형 효과는 밀도가 높은 유체에서 이론과 실험 간의 일치에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델은 피팅 매개변수 없이도 에너지 의존성 포획 단면적 σ_cap(ε) 과 대기 시간 분포 θ(ε,t) 를 성공적으로 예측한다.
• 밀도가 높은 He 및 Ne 기체에서 전자의 이동도에 대해 실험 데이터와 강한 일치를 보이며, Ar, Kr, Xe 에서의 양전자 붕괴 비율에 대해서도 높은 일치도를 보인다.
• Ne 기체 및 액체에서 밀도 증가에 따라 포획 확률이 지수적으로 증가하는 것을 예측하며, 관측된 활성화 밀도와 일치한다.
• Xe 에서는 기체 및 액체 상 모두에서 강력한 포획 속도를 예측하며, 기체 상의 실험 관측 결과와 일치한다.
• Ar 액체에서의 불일치는 산란 길이 근사로는 포괄하지 못하는 상호작용 포텐셜 V₀ 의 비선형성 때문으로 기인된다.
• 희박 기체에서 넓고 얕은 변동으로 인해 지속적인 강력한 포획이 발생함을 예측하여, Ps 기포 형성 관측 결과의 명백한 모순을 설명한다.