[论文解读] Prompt muon-induced fission: a sensitive probe for nuclear energy dissipation and fission dynamics

V. E. Oberacker, A. S. Umar+1 more|ArXiv.org|Mar 30, 2004

Muon and positron interactions and applications参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文提出利用快中微子诱发的裂变作为探测锕系元素中核能耗散与裂变动力学的灵敏探针。通过利用时间依赖的狄拉克方程与薛定谔方程计算中微子附着至轻裂变碎片的概率，揭示了耗散能量（0–10 MeV）与裂变时间延迟（最高达2×10⁻²¹ s）依赖于核阻尼，从而区分了两体碰撞与单体平均场耗散机制。

ABSTRACT

Following the formation of an excited muonic atom, inner shell transitions may proceed without photon emission by inverse internal conversion, i.e. the muonic excitation energy is transferred to the nucleus. In actinides, the 2p -> 1s and the 3d -> 1s muonic transitions result in excitation of the nuclear giant dipole and giant quadrupole resonances, respectively, which act as doorway states for fission. The nuclear excitation energy is typically 6.5 - 10 MeV. Because the muon lifetime is long compared to the timescale of prompt nuclear fission, the motion of the muon in the Coulomb field of the fissioning nucleus may be utilized to learn about the dynamics of fission.

研究动机与目标

• 研究裂变过程中的核能耗散机制，特别是区分两体碰撞与来自平均场的单体摩擦耗散机制。
• 利用快中微子诱发裂变作为裂变动力学的探针，利用中微子相对于裂变时间尺度的长寿命特性。
• 计算中微子附着至轻裂变碎片的概率，作为核摩擦与能量耗散的函数。
• 将理论预测与实验数据进行比较，以约束锕系元素（如²³⁷Np）中裂变动力学与能量耗散。
• 验证巨四极矩与巨偶极共振作为中微子原子中逆内部转换后裂变的通道态的作用。

提出的方法

• 使用Born-Oppenheimer展开与准分子波函数求解非相对论性时间依赖的薛定谔方程。
• 在三维笛卡尔格点上使用B样条配点法求解相对论性时间依赖的狄拉克方程，以提高精度与灵活性。
• 对具有轴对称性的裂变核时间依赖库仑势进行建模，原则上允许非轴对称形状。
• 在裂变过程中计算中微子在分子轨道之间（如1sσ至2pσ）的跃迁概率，以确定其附着至轻碎片或重碎片的倾向。
• 基于线性摩擦力的耗散函数，用于模拟裂变过程中通过中子与光子发射导致的能量损失。
• 应用微扰理论，以考虑裂变过程中碎片半径变化（呼吸模）引起的核势能变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 裂变过程中的核摩擦如何影响中微子附着至轻裂变碎片的概率？
• RQ2 两体碰撞与单体平均场摩擦在能量耗散中的相对贡献如何？
• RQ3 中微子附着概率在多大程度上依赖于裂变过程中的耗散能量？
• RQ4 中微子在时间依赖的库仑场中的运动能否揭示裂变过程的动力学特征？
• RQ5 巨偶极与四极共振在中微子原子中逆内部转换后作为裂变通道态的作用如何？

主要发现

• 对于²³⁷Np，理论模型预测的耗散能量为0–10 MeV，与中微子附着概率的实验数据一致。
• 从鞍点到颈缩的裂变时间延迟估计为最高达2×10⁻²¹ s，对应于耗散能量范围的上限。
• 中微子附着至轻碎片的概率PL对质量不对称性表现出强烈依赖，与实验观测相符。
• 模型预测PL对总耗散能量的依赖性较弱，表明质量不对称性在附着动力学中起主导作用。
• 在三维格点计算中未观察到显著的中微子电离，表明中微子在整个过程中保持与裂变碎片结合。
• 碎片呼吸模引起的能量耗散仅约1 MeV，表明阻尼较弱，支持快速集体运动。