Large Amplitude Collective Motion and Dissipation in the Ground State and the First Isomeric Wells in the Neutron-Induced Fission of $^{235}$U

Resumen Técnico: Movimiento Colectivo de Gran Amplitud y Disipación en el Estado Fundamental y en los Primeros Pozos Isoméricos en la Fisión Inducida por Neutrones de $^{235}$U

Planteamiento del Problema
Los tratamientos microscópicos actuales de la fisión inducida, que utilizan principalmente la Teoría de la Funcional de la Densidad Dependiente del Tiempo (TDDFT), se han centrado históricamente de forma exclusiva en la dinámica desde el punto de silla exterior hasta la escisión. Es en esta fase final donde se determinan las propiedades primarias de los fragmentos de fisión (FF). Sin embargo, tras la absorción de un neutrón de baja energía por parte de $^{235}$U para formar $^{236}$U, el sistema nuclear de fisión (FNS) pasa una duración significativamente mayor evolucionando dentro de los pozos del estado fundamental y del isómero antes de alcanzar la barrera exterior. De acuerdo con la visión de Bohr, esta evolución pre-silla implica la formación y el decaimiento de un núcleo compuesto (CN) con una vida media órdenes de magnitud más larga ($10^{-18}$ a $10^{-16}$ s) que la fase de silla-a-escisión ($10^{-21}$ s). A pesar de la importancia teórica de esta etapa, carecía de una descripción plenamente microscópica la evolución del FNS dentro de estos pozos debido a la extrema complejidad de modelar la transición de un estado de campo medio simple a un núcleo compuesto altamente correlacionado.

Metodología
Este estudio investiga la evolución separada del FNS ($^{236}$U) dentro de los pozos del estado fundamental y del isómero utilizando TDDFT extendida a sistemas superfluidos. Las simulaciones están restringidas a formas axialmente simétricas, definidas por los parámetros de deformación cuadrupolar ($Q_{20}$) y octupolar ($Q_{30}$).

• Condiciones Iniciales: Se prepararon múltiples trayectorias en varios niveles de energía de excitación dentro de la superficie de energía potencial (PES) de los pozos del estado fundamental y del isómero. Estos estados iniciales representan núcleos "fríos" con deformaciones distintas, que portan la impronta inicial de la absorción del neutrón.
• Simulación: El sistema evoluciona en el tiempo para observar la relajación del movimiento colectivo, las fluctuaciones de la forma y la emisión de partículas.
• Métricas: El estudio analiza la energía de flujo colectivo ($E_{flow}$), la evolución de los momentos multipolares ($Q_{20}$ y $Q_{30}$), la redistribución de los números de ocupación de partícula única ($\sigma_1(t)$) y la emisión dependiente del tiempo de neutrones.

Resultados Clave

1. Disipación Fuerte: La dinámica en ambos pozos, el del estado fundamental y el del isómero, es fuertemente disipativa, reflejando el comportamiento observado en la fase de silla-a-escisión. La energía de flujo colectivo decae rápidamente de menos de 500 keV a aproximadamente 100 keV, lo que indica que el sistema se termaliza rápidamente tras la absorción del neutrón.
2. Evolución Divergente de la Asimetría de Masa:
   • Pozo del Estado Fundamental: La asimetría de masa inicial y los parámetros de deformación colapsan rápidamente hacia el centro del pozo. El sistema exhibe fluctuaciones caóticas alrededor de un valor central, "olvidando" efectivamente sus condiciones de deformación iniciales.
   • Pozo Isomérico: Mientras que el momento cuadrupolar ($Q_{20}$) se comporta de manera similar al del estado fundamental, el momento octupolar ($Q_{30}$) exhibe un comportamiento distinto. Si el $Q_{30}$ inicial supera un valor crítico, este experimenta oscilaciones de gran amplitud y casi armónicas con un periodo de $T \approx 960 \pm 70$ fm/c. En consecuencia, la asimetría de masa generada en el pozo isomérico persiste durante un largo periodo, a diferencia de la rápida aleatorización observada en el estado fundamental.
3. Emisión de Neutrones: El estudio observa una emisión de neutrones de baja probabilidad en ambos pozos. El patrón de emisión incluye un salto inicial rápido (probablemente debido a la eliminación de las restricciones de deformación) seguido de una tasa de emisión aproximadamente lineal, que podría derivar de la dispersión de neutrones contra las paredes en movimiento del FNS.
4. Dinámica No Markoviana: La evolución de los números de ocupación de partícula única ($\sigma_1(t)$) confirma el carácter no markoviano del proceso de fisión, con cambios en las probabilidades de ocupación de aproximadamente un 20–25% durante la evolución.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este trabajo proporciona la primera demostración plenamente microscópica de la naturaleza disipativa de la dinámica de fisión dentro de los pozos del estado fundamental y del isómero. El estudio destaca una dicotomía sorprendente: mientras que la dinámica del estado fundamental borra rápidamente las condiciones iniciales, el pozo isomérico puede sostener oscilaciones armónicas de gran amplitud en la asimetría de masa si se cumplen ciertos umbrales iniciales específicos.

El artículo postula que la relación entre los eventos de fisión asimétrica y simétrica podría servir como un observable experimental para sondear la fuerza de las fluctuaciones de $Q_{30}$ dentro del pozo isomérico, una etapa de la fisión que de otro modo sería inaccesible a la medición directa. Además, los resultados sugieren que el sistema retiene una "memoria" de su formación en el pozo isomérico bajo condiciones específicas, contrastando con la pérdida completa de memoria hipotetizada para la etapa final del núcleo compuesto.

Los autores mantienen la modestia respecto al alcance de sus conclusiones, señalando que los resultados actuales se basan en el campo medio TDDFT. Reconocen que una descripción completa del núcleo compuesto, que involucre la pérdida de memoria y la transición a un estado cuántico altamente complejo, probablemente requiere extensiones más allá del campo medio, como el Método de Coordenada Generadora (GCM) o tratamientos de conjuntos de determinantes de Slater, que aún no se han implementado completamente para esta etapa temporal específica.