[논문 리뷰] Impact of pear-shaped fission fragments on mass-asymmetric fission in actinides

Guillaume Scamps, C. Simenel|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 10.

Nuclear physics research studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 우라늄계 원소에서의 붕괴 분열에 있어서, 특히 Z = 52–56 부근에서의 팔중극자(배 모양) 변형이 질량 비대칭 분열을 이끄는 데 핵심적인 역할을 한다고 밝힌다. 이는 Z = 50에서 강한 구형 껍질 효과가 존재하는 바에도 불구하고 분열 조각이 Z ≈ 52–56를 차지하는 이유를 설명한다. 초유체 분열 역학의 양자 다체 모델을 사용하여, 팔중극자 변형이 비대칭 분열 경로를 안정화시키는 반면, 132Sn과 같은 구형 마법핵은 이러한 변형에 저항하여 분열 조각으로서의 생성이 어렵다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Abstract Nuclear fission of heavy (actinide) nuclei results predominantly in asymmetric mass splits1. Without quantum shell effects, which can give extra binding energy to their mass-asymmetric shapes, these nuclei would fission symmetrically. The strongest shell effects appear in spherical nuclei, such as the spherical ‘doubly magic’ (that is, both its atomic and neutron numbers are ‘magic’ numbers) nucleus 132Sn, which contains 50 protons and 82 neutrons. However, a systematic study of fission2 has shown that heavy fission fragments have atomic numbers distributed around Z = 52 to Z = 56, indicating that the strong shell effects in 132Sn are not the only factor affecting actinide fission. Reconciling the strong spherical shell effects at Z = 50 with the different Z values of fission fragments observed in nature has been a longstanding puzzle3. Here we show that the final mass asymmetry of the fragments is also determined by the extra stability provided by octupole (pear-shaped) deformations, which have been recently confirmed experimentally around 144Ba (Z = 56)4, 5, one of very few nuclei with shell-stabilized octupole deformation6. Using a quantum many-body model of superfluid fission dynamics7, we find that heavy fission fragments are produced predominantly with 52 to 56 protons, which is associated with substantial octupole deformation acquired on the way to fission. These octupole shapes, which favour asymmetric fission, are induced by deformed shells at Z = 52 and Z = 56. By contrast, spherical magic nuclei are very resistant to octupole deformation, which hinders their production as fission fragments. These findings may explain surprising observations of asymmetric fission in nuclei lighter than lead8.

연구 동기 및 목표

• Z = 50에서 강한 구형 껍질 효과가 존재하는 바에도 불구하고, 붕괴 분열 조각이 Z ≈ 52–56을 선호하는 이유를 오랫동안 해결하는 것.
• 팔중극자(배 모양) 변형이 분열 조각의 질량 비대칭성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• Z = 50, N = 82인 이중 마법핵 132Sn이 높은 안정성을 지니고 있음에도 불구하고 분열 조각으로 거의 관측되지 않는 이유를 규명하는 것.
• 관측된 분열 조각의 Z 분포를 팔중극자 변형과 변형된 껍질 효과 간의 상호작용과 연결하는 것.

제안 방법

• 우라늄계 원소의 분열 경로를 시뮬레이션하기 위해 초유체 분열 역학의 양자 다체 모델을 적용한다.
• 분열 경로 동안 핵의 형태 변화를 추적하며, 팔중극자(배 모양) 변형의 발생에 집중한다.
• Z = 52와 Z = 56에서의 변형된 껍질 효과가 비대칭 분열 형태의 안정성에 미치는 영향을 분석한다.
• Z = 52–56 부근의 변형된 핵들과는 대조적으로, 구형 마법핵(예: 132Sn)이 팔중극자 변형에 얼마나 저항하는지 비교한다.
• 144Ba(Z = 56)에서의 팔중극자 변형 실험적 확인을 모델 검증의 기준으로 사용한다.
• 껍질 효과와 변형 에너지 간의 경쟁에 기반해 비대칭 분열의 에너지적 유리함을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Z = 50에서 강한 구형 껍질 폐쇄가 존재하는 바에도 불구하고, 붕괴 분열 조각이 Z ≈ 52–56을 주로 차지하는 이유는 무엇인가?
• RQ2 팔중극자(배 모양) 변형이 우라늄계 원소의 분열 조각의 질량 비대칭성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 Z = 52와 Z = 56에서의 변형된 껍질 효과가 비대칭 분열 경로를 어떻게 안정화시키는가?
• RQ4 Z = 50, N = 82인 이중 마법핵 132Sn이 높은 안정성을 지니고 있음에도 불구하고 왜 거의 분열 조각으로 생성되지 않는가?
• RQ5 관측된 분열 조각의 Z 분포는 팔중극자 변형과 껍질 효과의 상호작용으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 특히 Z = 56 부근에서의 팔중극자(배 모양) 변형은 질량 비대칭 분열 경로를 크게 안정화시킨다.
• Z = 52와 Z = 56에서의 변형된 껍질 효과가 비대칭 분열 형태의 안정성을 향상시켜, 이러한 원자번호를 가진 조각의 생성을 선호한다.
• 132Sn과 같은 구형 마법핵은 팔중극자 변형에 저항하여, 높은 껍질 에너지에도 불구하고 분열 조각으로서의 생성이 제한된다.
• 모델은 팔중극자 변형과 변형된 껍질 안정화의 병합 효과로 인해 분열 조각이 주로 52에서 56의 양성자 수를 가지게 된다고 예측한다.
• 144Ba(Z = 56)에서의 팔중극자 변형 실험적 확인은, 이러한 형태가 우라늄계 원소에서의 비대칭 분열에 핵심적인 역할을 한다는 모델 예측을 지지한다.
• 연구 결과는 납 이하의 핵에서 구형 껍질 효과가 Z = 50에서 덜 지배적인 바에 불구하고 비대칭 분열이 놀랍게 흔한 이유를 설명한다.