[논문 리뷰] Superheavy toroidal nuclei in the Skyrme energy functional framework

Arkadiusz Kosior, A. Staszczak외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 23.

Nuclear physics research studies참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

Skyrme-HFB 평균장 프레임워크와 SkM* 기능을 사용하여, 이 연구는 초중간 핵(자기수 Z=120 동위원소 및 중성수 N=184 이소토늄)을 조사하고, 큰 평판형 비대칭 변형에서의 급격한 형태 전이(즉, 이중구멍 디스크에서 고리형 구형으로의 전이)를 발견한다. 이 전이는 Q₂₀ ≤ -158 b에서 발생하며, 이는 고 Z 영역에서 강화된 껍질 효과와 거의 평탄한 에너지 곡선으로 인해 발생한다. 이는 Z ≥ 122 근처의 고리형 초중간 핵에서 잠재적인 안정성을 시사한다.

ABSTRACT

Using the Hartree-Fock-Bogoliubov (HFB) self-consistent mean-field theory with the SkM* Skyrme energy-density functional, we study nuclear structure properties of even-even superheavy nuclei (SHN) of $Z=120$ isotopes and $N=184$ isotones. The shape of the nucleus along the lowest energy curve as a function of the quadrupole moment $Q_{20}$ makes a sudden transition from the oblate spheroids (biconcave discs) to the toroidal shapes, in the region of large oblate quadrupole moments.

연구 동기 및 목표

• Z=120 및 N=184를 갖는 초중간 핵(SHN)에서 고리형 핵형의 존재성과 안정성을 조사하기 위해.
• 큰 평판형 비대칭 변형에서 고리형 구조를 가능하게 하는 껍질 효과와 에너지 경관의 역할을 검토하기 위해.
• Z가 122를 초과할 경우 고리형 SHN가 에너적으로 유리해지는 조건을 규명하기 위해.
• 평판형 비대칭 변형 영역에서 이중구멍 디스크와 고리형 해가 공존할 수 있는지를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 자기일관성 있는 하트리-폭올리우보프(HFB) 방법을 사용하였으며, SkM* Skyrme 에너지 밀도 기능을 적용하였다.
• 고정된 입자 수와 4중극 모멘트 Q₂₀ 제약 조건 하에서 총 에너지 기능 E^tot[ρ̄]의 제약 최소화를 적용하였다.
• 3차원 카르테시안 비대칭 조화 진동자 기저를 사용한 HFODD 코드를 통해 등차형 제약 문제를 해결하기 위해 보완된 라그랑주 승수 방법을 사용하였다.
• 큰 평판형 비대칭 변형 영역(Q₂₀에서 -202 b에서 -158 b 사이)에서 핵 밀도 분포와 단일 입자 상태의 변화를 추적하였다.
• 이중구멍 디스크와 고리형 해의 에너지 곡선을 분석하여 에너지 교차점과 형태 전이를 규명하였다.
• 고리형 영역과 이중구멍 디스크 영역에서 단일 입자 상태의 밀도를 분석하여 껍질 효과를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초중간 핵에서 이중구멍 디스크에서 고리형 구조로의 형태 전이가 발생하는 4중극 모멘트 비대칭 변형은 어느 정도인가?
• RQ2 Z=120 및 N=184를 갖는 SHN에서 껍질 효과가 고리형 구조의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 평판형 비대칭 변형 영역에서 고리형 에너지 곡선 기울기는 중성수와 양성수에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 Z가 122를 초과할 경우, 특히 에너지 곡선이 평탄해지면 고리형 SHN가 에너적으로 유리해질 수 있는가?
• RQ5 전기적 반발력과 핵의 압축성계수는 고리형 형태 형성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• ²⁰⁴¹²⁰₁₈₄에서 Q₂₀ ≤ -158 b에서 이중구멍 디스크에서 고리형 구조로의 급격한 형태 전이가 발생하며, 이는 안정된 고리형 해의 시작을 나타낸다.
• Z=120 동위원소에서 고리형 형태는 N=166일 때 Q₂₀ = -150 b에서, N=190일 때 Q₂₀ = -160 b에서 처음 나타나며, 중성수 증가에 따라 에너지 교차점은 더 음의 Q₂₀ 값으로 이동한다.
• N=184 이소토늄에서 이중구멍 디스크와 고리형 해의 에너지 교차점은 Z가 106에서 124 사이의 모든 값에서 Q₂₀ ≈ -180 b에서 발생한다.
• Z 증가에 따라 고리형 에너지 곡선의 기울기는 점점 더 평탄해지며, Z ≥ 122에서 더 큰 평판형 비대칭 변형에서의 평형 상태가 가능할 것으로 시사한다.
• 고리형 영역에서의 단일 입자 상태 밀도는 균일하지 않으며, 뚜렷한 껍질 갭이 존재하여 특정 변형에서의 강화된 안정성을 시사한다.
• Q₂₀ = -202 b(점 A)와 Q₂₀ = -158 b(점 B) 사이의 영역에서 이중구멍 디스크와 고리형 해가 공존하며, 양쪽 모두 자기일관성 있는 해임을 확인하였다.