[論文レビュー] CEM2k - Recent Developments in CEM

S. G. Mashnik, Arnold J. Sierk|ArXiv.org|Nov 17, 2000

Nuclear reactor physics and engineering参考文献 11被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、高エネルギー陽子および重イオン衝突における残渣核生成断面積の予測を向上させるために開発された、核反応のカスケード・エキシトンモデル（CEM）の高度化版、CEM2kを提示する。このモデルは、精緻な核準位密度、改善されたπ中性子吸収およびパウリ禁止則の取り扱い、正確な運動量・エネルギー保存、更新された結合エネルギーを組み込み、特に800–1000 MeV/核子の197Auおよび208Pbにおける最近のGSIの逆運動学的データとの一致を顕著に向上させた。

ABSTRACT

Recent developments of the Cascade-Exciton Model (CEM) of nuclear reactions are briefly described. These changes are motivated by new data on isotope production measured recently in "reverse kinematics" at GSI for interactions of 208-Pb and 238-U at 1 GeV/nucleon and 197-Au at 800 MeV/nucleon with liquid 1-H. This study leads us to CEM2k, which is a new version of the CEM code that is still under development. The increased accuracy and predictive power of the code CEM2k are shown by several examples. Further necessary work is outlined.

研究の動機と目的

• 中間および高エネルギー核反応におけるカスケード・エキシトンモデル（CEM）の予測精度を向上させること。
• 最近の高精度GSIデータ（逆運動学的実験における核種生成）と従来のモデル（例：LAHET、YIELDX）との乖離を解消すること。
• 加速器駆動系における粒子放出スペクトルおよび残渣核生成断面積をよりよく記述できる新たなコードバージョン、CEM2kを開発すること。
• 準平衡状態と蒸発段階の取り扱い、特にカスケードから準平衡崩壊への遷移基準の精緻化を図ること。
• 特に238Uのようなアクチニド元素において、崩壊断面積が支配的となる場合の崩壊モデルの限界を是正すること。

提案手法

• 従来バージョンの固定値 $\mathcal{P} = 0.3$ に代わり、パラメータ $\mathcal{P} = |(W_{\text{opt.mod.}} - W_{\text{opt.exp.}})/W_{\text{opt.exp.}}|$ を用いた、核内カスケード（INC）から準平衡状態への遷移基準を新たに導入する。
• 改善された基本的断面積、更新された核質量、$Q$値、スピン対および結合エネルギー、修正された準位密度系統を組み込む。
• 各モンテカルロイベントに対して正確な運動量・エネルギー保存を適用し、従来の統計的保存法を置き換える。
• カスケード段階では、定数7 MeVの近似をやめ、実際の核子結合エネルギーを用いる。
• 放射幅計算における「反動なし」近似を、放出粒子の換算質量に置き換える。
• 核外の高速カスケード核子から複雑な粒子（例：アルファ粒子、リチウム）の凝集を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最近の高精度GSIデータ（逆運動学的反応における核種生成）をよりよく再現できるように、CEMモデルをどのように改善できるか？
• RQ2 カスケードから準平衡状態への遷移基準にどのような変更を加えると、実験データとの一致が向上するか？
• RQ3 LAHET や YIELDX などの既存コードが、800–1000 MeV/核子の197Auおよび238U反応における測定された核種生成断面積を説明できない理由は何か？
• RQ4 崩壊および中性子崩壊幅比（$\Gamma_n/\Gamma_f$）の取り扱いが、238Uなどのアクチニド標的における予測にどのように影響を与えるか？
• RQ5 向上した保存則および現実的な結合エネルギーの取り扱いが、CEM2kにおけるモデル精度にどの程度寄与するか？

主な発見

• CEM2kは、800 MeV/核子の197Au + p において、特に水銀からハッフニウム、ルテチウムからネodymiumにかけての核種分布で、GSIデータとの一致が著しく向上している。
• 1 GeV/核子の208Pb において、CEM97 や LAHET-Bertini よりも測定値に近い核種生成断面積を再現しており、特に中性子過剰領域で優れた性能を示している。
• 1 GeV/核子の238U + p において、中性子不足領域ではデータを低く見積もっており、これは崩壊片生成のモデル化が不十分であることを示唆している。
• 1 GeV におけるp + 238U では、崩壊が全反応断面積の約80％（1788 mb中1390 mb）を占めており、$\Gamma_n/\Gamma_f$ の取り扱いがモデル予測において極めて重要であることが明らかになった。
• 238Uのデータは、中性子不足核へ向かう核種生成断面積の急激な指数的減少を示しており、これは崩壊寄与が支配的であることを裏付けている。
• 予備計算では、1 GeVを超える領域で崩壊断面積が過剰に見積もられていることが判明しており、特にHg反応においては崩壊モデルのさらなる精緻化が求められる。