[论文解读] Proton induced spallation reactions in the energy range 0.1 - 10 GeV

Anna Kowalczyk|ArXiv.org|Jan 4, 2008

Nuclear physics research studies参考文献 3被引用 6

一句话总结

本博士论文研究了在0.1–10 GeV能量范围内质子诱发的核反应碎裂过程，采用强子-弦动力学（HSD）模型与蒸发模型（PACE 2）相结合的方法。结果表明，HSD模型能准确再现实验测得的喷射粒子能谱，尤其是中子、质子和氘核，与实验数据具有良好的一致性，偏差在两倍以内；唯独π介子能谱被高估约两倍，这是由于在核物质中对π介子传播过程的建模存在困难。

ABSTRACT

One of considered nowadays scenarios of proton - nucleus reaction is spallation. Its motivation is based on experimental final-state observations of one heavy nucleus, a small number of light fragments and numerous individual nucleons. It is theoretically described as two step process involving energy deposition in the target nucleus and subsequent evaporation. Several models, based on different assumptions, have been constructed in order to describe the spallation process. The main subject of this work is description of global average properties of proton induced spallation reactions in wide range of projectile energy (0.1 - 10 GeV) and mass of target nuclei. This is investigated within Hadron String Dynamics (HSD) model, based on Boltzmann - Uehling - Uhlenbeck (BUU) equation, supplemented by a statistical evaporation model for the second stage of the reaction. It has been shown that spallation is the most probable scenario of proton - nucleus reaction. Proton induced reactions, in considered here incident energy range, are visibly non-invasive processes. Properties of residual nuclei after the first stage of the reaction are weakly dependent on incident energy, but strongly dependent on mass of target. The second stage of the reaction is a competition of evaporation and fission. Results obtained from the HSD model vary smoothly as function of proton incident energy and mass of target, so interpolation of the results is quite feasible.

研究动机与目标

• 开发并验证一个适用于宽广能量与质量范围的质子诱发碎裂反应的理论框架。
• 评估HSD模型在描述碎裂反应第一阶段（快速非平衡过程）和第二阶段（蒸发过程）中的预测能力。
• 将HSD模型结果与实验数据及其他微观模型进行比较，以评估模型的可靠性与一致性。
• 研究残余核性质与发射谱对入射能量和靶核质量的依赖关系。
• 识别当前模型的局限性，特别是π介子谱预测的不足，并评估改进的可行性。

提出的方法

• 采用强子-弦动力学（HSD）模型模拟质子-核碰撞中的快速非平衡阶段，包括核内级联过程与核子-核子相互作用。
• 利用PACE 2蒸发模型描述第二阶段，即激发态残余核通过逐次发射核子与轻粒子实现去激发。
• 采用两步反应模型：首先，HSD模型计算能量沉积与初始喷射粒子谱；其次，蒸发模型计算最终态粒子发射。
• 应用蒙特卡罗方法模拟核介质中随机的粒子发射与级联过程。
• 通过与PISA合作组及其他来源的实验数据对比，对HSD模型进行标定与测试。
• 在HSD模型中系统性地改变参数，以评估不同靶核与入射能量下结果的敏感性与鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 HSD模型在多大程度上能准确再现质子诱发碎裂反应中中子、质子、氘核及其他喷射粒子的实验能谱？
• RQ2 残余核性质与发射谱对入射质子能量与靶核质量的依赖关系如何？
• RQ3 HSD模型的预测结果与其它微观模型（如INCL、QMD）及实验数据相比如何？
• RQ4 为何HSD模型系统性地高估π介子谱？其背后的物理限制是什么？
• RQ5 在不同能量与靶核之间，HSD模型在插值与外推碎裂反应数据方面的适用程度如何？

主要发现

• HSD模型对中子、质子与氘核能谱的预测与实验数据具有良好的定量一致性，偏差在两倍以内。
• π介子谱的预测准确性最低，HSD模型的产额预测比实验值高约两倍，主要归因于对π介子在介质中传播与吸收过程的建模不够完善。
• 第一阶段后残余核的性质对入射能量的依赖性较弱，但对靶核质量的依赖性较强，表明靶核结构起主导作用。
• HSD模型结果随入射能量与靶核质量平滑变化，使得在0.1–10 GeV范围内可靠地插值反应数据成为可能。
• HSD模型的预测与其他微观模型（如INCL与QMD）一致，表明其基本假设具有鲁棒性。
• 两阶段模型——即HSD用于快速级联过程，PACE 2用于蒸发过程——成功描述了质子诱发碎裂的主要特征，证实了该机制作为主导反应路径的合理性。