[論文レビュー] Propagation of Hauser-Feshbach uncertainty estimates to r-process nucleosynthesis: Benchmark of statistical property models for neutron rich nuclei far from stability

S. Nikas, G. Perdikakis+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2020

Nuclear reactor physics and engineering参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、不安定で中性子過剰な核においてハウザー＝フェッシュバッハの中性子捕獲率計算における不確実性を調査し、外挿された統計的核モデル（準位密度およびガンマ線強度関数）が反応率に最大数個のオーダーの変動を引き起こすことを特定した。これらの不確実性はr過程核合成の生成量に顕著な影響を及ぼし、理論的モデルと天文観測との信頼できる比較を損なうものであり、核物性のより優れたマイクロスコピックモデルの開発が急務であることを示している。

ABSTRACT

Multimessenger observations of the neutron star merger event GW170817 have re-energized the debate over the astrophysical origins of the most massive elements via the r-process nucleosynthesis. A key aspect of such studies is comparing astronomical observations to theoretical nucleosynthesis yields in a meaningful way. To perform realistic nucleosynthesis calculations, understanding the uncertainty in microphysics details such as nuclear reaction rates is as essential as understanding uncertainties in modeling the astrophysical environment. We present an investigation of neutron capture rate calculations' uncertainty away from stability using the Hauser-Feshbach model. We provide a quantitative measure of the calculations' dependability when we extrapolate models of statistical properties to nuclei in an r-process network. We select several level density and gamma-ray strength models appropriate for neutron-capture and use them to calculate the reaction rate for each nucleus in the network. We observe how statistical properties affect the theoretical reaction rates. The rates are then sampled with the Monte Carlo technique and used in network calculations to map the range of possible r-process abundances. The results show that neutron capture rates can vary by a couple of orders of magnitude between calculations. Phenomenological models provide smoother results than semi-microscopic. They cannot, however, reproduce nuclear structure changes such as shell closures. While semi-microscopic models predict nuclear structure effects away from stability, it is not clear that these results are quantitatively accurate. The effect of the uncertainty on r-process yields is large enough to impede comparisons between observation and calculations. Progress in developing better microscopic models of gamma strengths and level densities is urgently needed to improve the fidelity of r-process models.

研究の動機と目的

• ハウザー＝フェッシュバッハの中性子捕獲率計算における、不安定で中性子過剰な核への外挿がもたらす不確実性を定量化すること。
• 準位密度およびガンマ線強度関数モデルの変動がr過程核合成生成量に与える影響を評価すること。
• 現在の表象的および準ミクロ的モデルが、r過程条件下での殻閉じ効果などの核構造効果を信頼性を持って予測できるかどうかを評価すること。
• モデルの不確実性がr過程元素分画パターンの正確性に与える累積的影響を特定すること。
• 核合成計算と観測データ（例：GW170817）との意味のある比較を妨げる現在の理論的モデルにおける主要なギャップを同定すること。

提案手法

• 中性子捕獲計算に適した文献からの複数の準位密度およびガンマ線強度関数モデルを体系的に選定する。
• 10⁻⁴ GKから10 GKの温度範囲において、r過程ネットワーク内の各核に対して、準位密度およびガンマ線強度関数モデルのすべての有効な組み合わせを用いて中性子捕獲率を計算する。
• E1ガンマ線強度および準位密度の抽出と分析を行い、それらが理論的反応率に与える影響を追跡する。
• モンテカルロサンプルを用いて、r過程核合成ネットワーク計算にわたる率の不確実性を伝搬する。
• ホットニュートリノ駆動風および中性子星合体の2つの天体物理学的状況において、モンテカルロ結果と公開済みの率（例：Rauscherら、Mumpowerら、Beardら）を用いた単一ネットワーク計算を比較する。
• 理論的予測の信頼性を評価するため、可能なr過程元素分画結果の範囲をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 r過程における中性子過剰核に対して、準位密度およびガンマ線強度関数モデルの異なる組み合わせが中性子捕獲率予測にどのように影響するか。
• RQ2 不安定性から離れた領域における統計的核モデルの外挿が、ハウザー＝フェッシュバッハ反応率にどれほど大きな不確実性をもたらすか。
• RQ3 表象的および準ミクロ的モデルは、r過程条件下での核構造効果（例えば殻閉じ）をどれほど正確に再現できるか。
• RQ4 モデルの不確実性が最終的なr過程元素分画パターンに及える累積的影響は何か。
• RQ5 識別された不確実性を踏まえると、現在のハウザー＝フェッシュバッハに基づく核合成計算は観測データと意味のある比較が可能か。

主な発見

• 同一の核および温度に対して、外挿された統計的モデルを用いた中性子捕獲率は、モデルの組み合わせによって最大数個のオーダーの変動を示す。
• 表象的モデルは滑らかな率のトレンドを生じるが、r過程領域における重要な核構造効果（例えば殻閉じ）を再現できない。
• 準ミクロ的モデルは殻閉じなどの構造的効果を予測できるが、定量的精度に欠け、外挿領域における信頼性に懸念を呈する。
• モデル外挿に起因する反応率の不確実性は、r過程元素分画パターンの特徴的な特徴をぼやけさせるほど大きく、10倍のランダムな率変動と同等の影響を及ぼす。
• 準位密度およびガンマ線強度関数モデルの予測の不一致に起因する不確実性の組み合わせは、r過程核合成生成量の信頼性を著しく低下させ、観測データとの直接比較を困難にする。
• 本研究は、r過程モデルの予測力の向上を図るため、ガンマ線強度および準位密度のより優れたマイクロスコピックモデルの大幅な改善が緊急に必要であると結論づける。