[论文解读] Fragment Intrinsic Spins and Fragments' Relative Orbital Angular Momentum in Nuclear Fission

Bulgac, Aurel, Abdurrahman, Ibrahim+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2021

Nuclear physics research studies被引用 46

一句话总结

本研究首次基于时间演化密度泛函理论（TDDFT）对 236U∗、240Pu∗ 和 252Cf 中的裂变碎片本征自旋及相对轨道角动量进行了无限制的显微计算。结果表明，碎片动力学主要受弯曲集体模式主导，与经验模型相矛盾，并对先前对实验数据的解释构成挑战。

ABSTRACT

We present the first fully unrestricted microscopic calculations of the primary fission fragment intrinsic spins and of the fission fragments' relative orbital angular momentum for $^{236}$U$^*$, $^{240}$Pu$^*$, and $^{252}$Cf using the time-dependent density functional theory framework. Within this microscopic approach, free of restrictions and unchecked assumptions and which incorporates the relevant physical observables for describing fission, we evaluate the triple distribution of the fission fragment intrinsic spins and of their fission fragments' relative orbital angular momentum and show that their dynamics is dominated by their bending collective modes, in contradistinction to the predictions of the existing phenomenological models and some interpretations of experimental data.

研究动机与目标

• 提供锕系元素中裂变碎片本征自旋与相对轨道角动量的完全显微、无限制描述。
• 解决长期以来关于碎片角动量起源的模糊性，特别是集体模式的作用。
• 基于未经验证的假设，用严格推导的量子多体框架取代经验模型。
• 利用时间演化 TDDFT 波函数计算三重概率分布 P(SL, SH, Λ)。
• 在不施加人为约束的条件下，阐明从鞍点到裂变点碎片间角动量共享的动力学过程。

提出的方法

• 采用扩展至超流体系的时间依赖密度泛函理论（TDDFT），模拟从外鞍点到裂变点的裂变动力学。
• 通过重叠 ⟨Φ|eiβ0(JLx+JHx)eiβLJLx eiβHJHx|Φ⟩ 执行三重角动量投影，以提取 P(SL, SH, Λ)。
• 使用两种核能量密度泛函（SkM∗ 和 SeaLL1），网格间距为 1 fm，动量截断 pcut ≈ 600 MeV/c。
• 通过阶跃函数 △ = Θ(Λ ≥ |SL − SH|)Θ(Λ ≤ SL + SH) 强制满足三角不等式 |SL − SH| ≤ Λ ≤ SL + SH，以保证角动量守恒。
• 从外鞍点附近多种 Q20 和 Q30 变形的初始波函数出发，演化至碎片间距超过 30 fm。
• 利用 Langer 修正公式计算碎片自旋夹角余弦 cos φLH，以分析自旋关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 裂变碎片本征自旋的显微起源是什么？其与相对轨道角动量如何关联？
• RQ2 在 236U∗、240Pu∗ 和 252Cf 的初级裂变中，碎片本征自旋与相对轨道角动量如何分布？
• RQ3 裂变碎片角动量的动力学在多大程度上由弯曲集体模式主导，而非其他模式（如扭转或蠕动）？
• RQ4 完全显微的 TDDFT 框架结果与经验模型及实验解释相比如何？
• RQ5 集体模式在自发裂变与中子诱发裂变中，对三重分布 P(SL, SH, Λ) 的形成起何作用？

主要发现

• 252Cf(sf) 的轨道角动量分布峰值出现在 ⟨Λ⟩ = 14.7 (7.1)（SeaLL1）与 13.3 (6.5)（SkM∗），表明存在显著的角动量转移。
• 对于 236U∗，平均相对轨道角动量为 ⟨Λ⟩ = 12.6 (6.2)（SeaLL1）与 10.9 (5.4)（SkM∗），与高角动量转移一致。
• 对于 240Pu∗，⟨Λ⟩ = 12.6 (6.2)（SeaLL1）与 11.3 (5.6)（SkM∗），在锕系元素中呈现相似趋势。
• 本征自旋分布显示，在 236U∗ 中 ⟨SL⟩ ≈ 11.8 (5.8) 与 ⟨SH⟩ ≈ 11.0 (5.3)（SeaLL1 和 SkM∗），表明自旋强烈对齐。
• 碎片自旋夹角 φLH 显示强关联，cos φLH 峰值接近 1，表明 SL 与 SH 倾向于优先对齐。
• 结果与“弹射橡皮筋”模型相矛盾，表明弯曲模式主导动力学，而非扭转或纵向模式。