[论文解读] Superfluid dynamics of 258Fm fission

Guillaume Scamps, C. Simenel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2015

Nuclear physics research studies参考文献 1被引用 14

一句话总结

本文提出一种包含动态BCS配对关联的时变哈特ree-fock方法（TDHF+BCS），用于模拟²⁵⁸Fm裂变的非绝热超流动力学，揭示了量子壳效应及超越平均场涨落对碎片质量与电荷分布具有决定性影响，与实验数据具有良好的一致性，尤其在以Z=50壳闭合主导的双峰裂变模式下表现突出。

ABSTRACT

Theoretical description of nuclear fission remains one of the major challenges of quantum many-body dynamics. The slow, mostly adiabatic motion through the fission barrier is followed by a fast, non-adiabatic descent of the potential between the fragments. The latter stage is essentially unexplored. However, it is crucial as it generates most of the excitation energy in the fragments. The superfluid dynamics in the latter stage of fission is obtained with the time-dependent Hartree-Fock theory including BCS dynamical pairing correlations. The fission modes of the 258Fm nucleus are studied. The resulting fission fragment characteristics show a good agreement with experimental data. Quantum shell effects are shown to play a crucial role in the dynamics and formation of the fragments. The importance of quantum fluctuations beyond the independent particle/quasi-particle picture is underlined and qualitatively studied.

研究动机与目标

• 开发一种包含超越独立粒子近似的超流配对关联的微观非绝热核裂变描述方法。
• 研究在裂变末期（特别是接近裂尖时）量子壳效应与配对关联在碎片形成中的作用。
• 评估在非绝热阶段，特别是激发能与碎片分布宽度方面，超越平均场涨落的重要性。
• 为²⁵⁸Fm提供定量、无参数的裂变碎片特性（质量、电荷、动能）预测，该核素以双峰裂变著称。
• 建立一个适用于核素表的超流裂变动力学框架，尤其适用于富中子及双幻核体系。

提出的方法

• 将裂变过程分为两个阶段：在裂变垒附近采用约束哈特ree-fock加BCS配对（CHF+BCS）进行绝热演化，随后在非绝热下降至裂尖阶段采用时变哈特ree-fock加动态配对（TDHF+BCS）。
• 通过数值求解TDHF+BCS方程，追踪核密度矩阵与配对场的时间演化，以捕捉最终下降阶段的非绝热效应。
• 利用Pfaffian方法计算质子与中子数分布，通过粒子数投影技术提取碎片特性。
• 通过比较不同裂变模式（scf、aef、sef）下的碎片分布，分析壳效应的影响，特别关注scf模式中Z=50壳闭合的作用。
• 通过时变随机相位近似（TDRPA）定性评估超越平均场涨落，数值估算显示在scf模式中核子数分布的标准差从σ_TDHF=1.35显著提升至σ_TDRPA=2.35。
• 将该方法应用于²⁵⁸Fm，该核素具有实验观测到的双峰裂变行为，以检验其对质量与电荷分布的预测能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在²⁵⁸Fm的非绝热下降过程中，超流配对关联如何影响裂变碎片的动力学与最终特性？
• RQ2 量子壳效应（特别是Z=50处）在多大程度上决定了²⁵⁸Fm中观测到的双峰裂变行为？
• RQ3 超越平均场涨落在非绝热阶段对碎片质量与电荷分布宽度的形成起何种作用？
• RQ4 是否能通过微观的TDHF+BCS方法在不假设特定裂尖构型的前提下，重现实验观测的裂变碎片特性？
• RQ5 配对关联如何影响中子数分布中的奇偶效应，特别是在裂尖模式下？

主要发现

• TDHF+BCS方法对²⁵⁸Fm的实验裂变碎片质量与电荷分布具有良好的定量一致性，尤其成功再现了裂变的双峰特性。
• 裂尖模式（scf）强烈受Z=50壳效应主导，表现为质子数分布呈尖锐峰值且集中在Z=50，而其他模式则呈现更宽的分布。
• 中子数分布显示，在scf模式中由于配对关联存在显著的奇偶效应，而在其他裂变模式中则不明显。
• 通过TDRPA估算的超越平均场涨落，使scf模式中总核子数分布的标准差从σ_TDHF=1.35显著提升至σ_TDRPA=2.35，表明其在决定碎片宽度方面起着关键作用。
• 超过一半的最终激发能在裂尖前最后的zeptosecond（10⁻²¹秒）内获得，其中相当一部分能量存储于低能集体振动模态中。
• 该方法在不假设特定裂尖几何构型的前提下，成功预测了碎片的总动能，验证了其在裂变动力学预测中的强大能力。