[論文レビュー] CEM03.03 and LAQGSM03.03 Event Generators for the MCNP6, MCNPX, and MARS15 Transport Codes

S. G. Mashnik, K. K. Gudima+4 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|May 6, 2008

Nuclear Physics and Applications被引用数 39

ひとこと要約

本稿では、MCNP6、MCNPX、MARS15用に、20 MeVから1 TeV/核子のエネルギー範囲における核反応の高度なモデルを統合したCEM03.03およびLAQGSM03.03イベントジェネレータを提示する。中間エネルギー領域の反応における断片化および崩壊予測の精度を向上させるために、'S'（SMMベース）および'G'（GEMINIベース）の修正を導入し、中程度質量および軽い核において顕著な精度向上を達成するとともに、計算効率を維持している。

ABSTRACT

A description of the IntraNuclear Cascade (INC), preequilibrium, evaporation, fission, coalescence, and Fermi breakup models used by the latest versions of our CEM03.03 and LAQGSM03.03 event generators is presented, with a focus on our most recent developments of these models. The recently developed "S" and "G" versions of our codes, that consider multifragmentation of nuclei formed after the preequilibrium stage of reactions when their excitation energy is above 2A MeV using the Statistical Multifragmentation Model (SMM) code by Botvina et al. ("S" stands for SMM) and the fission-like binary-decay model GEMINI by Charity ("G" stands for GEMINI), respectively, are briefly described as well. Examples of benchmarking our models against a large variety of experimental data on particle-particle, particle-nucleus, and nucleus-nucleus reactions are presented. Open questions on reaction mechanisms and future necessary work are outlined.

研究の動機と目的

• 加速器駆動系（ADS）、スパラレーション中性子源、放射線遮蔽に用いられる輸送コードにおける中間および高エネルギー核反応の改善されたイベントジェネレータの開発と検証を行う。
• 標準的なCEMおよびLAQGSMコードの限界、特に中間エネルギー領域における多断片化および正確な崩壊モデルの欠如を解決する。
• 特に軽い核および中程度質量の標的に対する、粒子-粒子、粒子-核、核-核反応の予測精度を、広いエネルギー範囲で向上させる。
• 励起エネルギーが2–5×A MeVを超える励起残渣核における多断片化および崩壊様式の崩壊の記述を改善するため、'S'（SMMベース）および'G'（GEMINIベース）の修正を導入・ベンチマーク化する。
• 実時間応用（例：重イオン線治療におけるPETベースのビームモニタリング）を可能にするために、実験データとの整合性を保ちつつ、計算効率を維持する。

提案手法

• 初期段階のエネルギー損失および内部核ダイナミクスをシミュレートするため、改善された核子-核子相互作用およびパウリ禁止原理の適用を含む核内キャスケード（INC）モデルを実装する。
• 平衡に達する前の粒子放出を記述するため、修正された拡散モデル（MEM）および平衡外放出モデルを統合する。
• 化合物核からの逐次的粒子放出をシミュレートするため、統計的崩壊理論に基づく蒸発モデルを適用する。
• 核準位密度および崩壊障壁に基づく質量、電荷、運動エネルギー分布を計算する崩壊モデルを適用し、GEM2の改良により崩壊確率および分布を向上させる。
• 弱い結合系からの低運動量核子放出を記述するため、フェルミ破壊モデルを組み込む。
• 平衡外段階後に励起エネルギーが2–5×A MeVを超える核に対して、それぞれ統計的多断片化モデル（SMM）およびGEMINI崩壊様二重崩壊モデルを用いた'S'および'G'バージョンのコードを導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中間エネルギー領域における中程度質量および軽い核に対する核反応における多断片化を、CEMおよびLAQGSMイベントジェネレータがどのように改善できるか？
• RQ2 SMMベースの' S'およびGEMINIベースの'G'修正は、標準的なCEM03.03およびLAQGSM03.03と比較して、断片生成率および崩壊特性の予測にどの程度向上をもたらすか？
• RQ3 標準的なCEMおよびLAQGSMは、1 GeVを超えるエネルギーで炭素のような軽い核に対して反応を記述できないのはなぜか？また、LAQGSMが'引きずり効果'（trawling）を組み込むことで、この問題はどのように解決されるか？
• RQ4 重イオン反応において、PHITSのQMDモデルと比較した場合、LAQGSMの精度と速度のトレードオフはどのようなものか？
• RQ5 GEMINIモデルにおいて、アクチニドの低エネルギー崩壊および予アクチニド核の正しい崩壊遅延時間を正確にモデル化する点で、現在のところどのような限界が残っているか？

主な発見

• 'S'および'G'の修正は、励起エネルギーが2–5×A MeVを超える残渣核における多断片化および崩壊様式の崩壊の記述を顕著に改善し、断片生成率の実験データとの再現性が向上した。
• CEM03.03およびLAQGSM03.03は、20 MeVから5 GeVの範囲で、核子誘発反応および核-核反応の両方において、粒子生成率およびエネルギー分布の予測精度が以前のバージョンを上回っている。
• LAQGSM03.03は、1 GeVを超えるエネルギーで炭素などの軽い標的に対して'引きずり効果'（trawling）を正しくモデル化できており、標準的なCEMが失敗する状況でも有効であることが示された。
• S'および'G'バージョンは、MCNP6、MCNPX、MARS15のデフォルトイベントジェネレータとしてまだ統合されていないが、既知の欠陥を補うための作業用修正として使用されている。
• 400 MeV/核子のウランがリチウム標的に衝突する場合、LAQGSMはPHITSのQMDモデルと比較して約210倍高速であり、重イオン線治療におけるPETベースのビームモニタリングなどの実時間応用に適している。
• 改善が見られたものの、現在のGEMINIモデルは予アクチニド核の崩壊障壁を低く評価しており、低励起エネルギー領域で過剰に崩壊を予測しているため、今後のモデルアップデートの必要性が示された。