[논문 리뷰] Fragment Intrinsic Spins and Fragments' Relative Orbital Angular Momentum in Nuclear Fission

Bulgac, Aurel, Abdurrahman, Ibrahim외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 09.

Nuclear physics research studies인용 수 46

한 줄 요약

이 연구는 시간에 따라 변화하는 밀도 함수 이론(TDDFT)을 사용하여 236U∗, 240Pu∗, 및 252Cf의 분열 조각의 고유 스핀과 상대 궤도 운동량을 처음으로 제약 없는 미시적 계산을 수행한다. 연구 결과, 조각의 역학이 굽힘 집단 모드에 의해 지배됨을 밝혀내었으며, 이는 경험적 모델과 모순되며 이전의 실험 데이터 해석에 도전한다.

ABSTRACT

We present the first fully unrestricted microscopic calculations of the primary fission fragment intrinsic spins and of the fission fragments' relative orbital angular momentum for $^{236}$U$^*$, $^{240}$Pu$^*$, and $^{252}$Cf using the time-dependent density functional theory framework. Within this microscopic approach, free of restrictions and unchecked assumptions and which incorporates the relevant physical observables for describing fission, we evaluate the triple distribution of the fission fragment intrinsic spins and of their fission fragments' relative orbital angular momentum and show that their dynamics is dominated by their bending collective modes, in contradistinction to the predictions of the existing phenomenological models and some interpretations of experimental data.

연구 동기 및 목표

• actinide에서 분열 조각의 고유 스핀과 상대 궤도 운동량에 대해 완전히 미시적이고 제약 없는 기술을 제공하기 위해.
• 특히 집단 모드의 역할을 포함한 조각의 각운동량 기원에 오랫동안 남아있던 애매함을 해결하기 위해.
• 검증되지 않은 가정에 기반한 경험적 모델을 철저히 유도된 양자 다체 이론 프레임워크로 대체하고 도전하기 위해.
• 시간에 따라 진화하는 TDDFT 파동함수를 사용하여 분열 조각의 삼중 확률 분포 P(SL, SH, Λ)를 계산하기 위해.
• 자기약속적인 제약 없이, 고리에서 분열까지의 각운동량 분배 역학을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 외부 고리에서 분열까지의 분열 역학을 시뮬레이션하기 위해 초유체 시스템으로 확장된 시간에 따라 변화하는 밀도 함수 이론(TDDFT)을 사용하였다.
• 삼중 각운동량 프로젝션을 위해 오버랩 ⟨Φ|eiβ0(JLx+JHx)eiβLJLx eiβHJHx|Φ⟩을 수행하여 P(SL, SH, Λ)를 추출하였다.
• 1 fm 격자 간격과 약 600 MeV/c의 동역학적 절단값 pcut를 사용한 두 가지 핵 에너지 밀도 함수성능(SkM∗ 및 SeaLL1)을 사용하였다.
• 각운동량 보존을 유지하기 위해 삼각형 제약 조건 |SL − SH| ≤ Λ ≤ SL + SH를 단위함수 △ = Θ(Λ ≥ |SL − SH|)Θ(Λ ≤ SL + SH)를 통해 강제하였다.
• 외부 고리 근처의 다양한 Q20 및 Q30 비대칭 상태에서 시작된 파동함수를 30 fm가 넘는 조각의 분리까지 진화시켰다.
• 스핀 상관관계를 분석하기 위해 랑거 보정 공식을 사용하여 조각 스핀 간의 각도余弦 cos φLH를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분열 조각의 고유 스핀의 미시적 기원은 무엇이며, 상대 궤도 운동량과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ2 236U∗, 240Pu∗, 및 252Cf의 초기 분열에서 조각의 고유 스핀과 상대 궤도 운동량은 어떻게 분포하는가?
• RQ3 분열 조각 각운동량의 역학이 굽힘 집단 모드에 의해 지배되는 정도는 얼마나 되며, 다른 모드들(예: 비틀림 또는 진동 모드)보다 더 강한가?
• RQ4 완전히 미시적인 TDDFT 프레임워크에서의 결과가 경험적 모델과 실험적 해석과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 집단 모드가 자발적 분열과 중성자 유도 분열에서 삼중 분포 P(SL, SH, Λ)를 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• 252Cf(sf)의 궤도 운동량 분포는 SeaLL1을 사용할 경우 ⟨Λ⟩ = 14.7 (7.1), SkM∗를 사용할 경우 ⟨Λ⟩ = 13.3 (6.5)로 피크를 이룸으로써 상당한 각운동량 이행이 있음을 시사한다.
• 236U∗의 경우 평균 상대 궤도 운동량은 SeaLL1을 사용할 경우 ⟨Λ⟩ = 12.6 (6.2), SkM∗를 사용할 경우 ⟨Λ⟩ = 10.9 (5.4)로 나타나 고각운동량 이행이 일어남을 일관되게 뒷받침한다.
• 240Pu∗의 경우 ⟨Λ⟩ = 12.6 (6.2) (SeaLL1) 및 11.3 (5.6) (SkM∗)로 나타나 우라늄 계열과 유사한 경향을 보인다.
• 236U∗에서 고유 스핀 분포는 SeaLL1과 SkM∗ 모두에서 ⟨SL⟩ ≈ 11.8 (5.8) 및 ⟨SH⟩ ≈ 11.0 (5.3)로 나타나 강한 스핀 정렬이 일어남을 시사한다.
• 조각 스핀 간의 각도 φLH는 강하게 상관되어 있으며, cos φLH가 1 근처에서 피크를 이룸으로써 SL과 SH가 선호적으로 정렬되어 있음을 나타낸다.
• 결과는 '빵틀이 끊어지는 고무줄' 모델을 반박하며, 오히려 굽힘 모드가 비틀림 또는 종축 모드보다 역학적으로 지배적임을 보여준다.