[論文レビュー] Systematic and correlated nuclear uncertainties in the i-process at the neutron shell closure N = 82

Michael Bertolli, Falk Herwig+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2013

Nuclear physics research studies参考文献 3被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、中性子殻閉じ N=82 における i-過程の体系的で相関のある核不安定期を定量的に評価し、相関を無視すると最終的な核種生成率の不安定期が最大で2桁も低く見積もられることを示している。モンテカルロ法を用いて、複数のモデルにおけるハウザー＝フェシュバーグ反応率の不確実性を伝搬させた結果、CEMP-r/s星を特定する上で鍵となる Ba、La、Eu の比は、核モデルの選択に極めて敏感であり、[La/Eu] は 0.5 デキシル、[Ba/La] は最大で 1 デキシルの変動を示すことが判明した。

ABSTRACT

Nuclear astrophysics simulations aiming to study the origin of the elements in stars require a multitude of nuclear physics input. Both systematic model dependent and statistically correlated uncertainties need to be considered. An application where realistic uncertainty assessments are especially important is the intermediate neutron capture process or i process: a neutron capture regime with neutron densities intermediate between the slow and rapid processes. Accordingly, the main network flux proceeds on the neutron-rich unstable isotopes up to 4-5 species off the valley of stability. The i process has been clearly identified to be active in post-AGB stars during the Very Late Thermal Pulse H-ingestion event, and a recent work infers about its important role in early generations of stars. Here we demonstrate the effect of propagating systematic nuclear uncertainties from different theoretical models to final abundances for a region around the 2$^\mathrm{nd}$ peak at $A-Z=80$ for elemental ratio predictions involving Ba, La and Eu in i-process conditions. These elements are used to distinguish different n-capture contributions observed in low-metallicity stars. For the simple 1-zone model adopted here, predictions vary as much as a factor of 22 in on possible observational plane ([La/Eu] vs. [Ba/La]). To consider statistically correlated uncertainties, we similarly perform a full nuclear physics uncertainty study within a given Hauser-Feshbach model and demonstrate the role of correlations on the final stellar abundance uncertainties. We show that in i-process conditions the main result of neglecting correlations is to underestimate the impact of nuclear uncertainties on the final nucleosynthesis yields by as much as two orders of magnitude. (continued in document)

研究の動機と目的

• N=82 の殻閉じ付近における i-過程核生成率に、体系的で相関のある核不確実性が与える影響を評価すること。
• 反応率の相関を無視することで、星間シミュレーションにおける最終的核種生成率の不確実性が低く見積もられることの程度を特定すること。
• i-過程条件下における、ハウザー＝フェシュバーグ反応率モデルの違いが、[Ba/La] および [La/Eu] といった重要な元素比に与える感受性を評価すること。
• 中性子捕獲率の不確実性が、CEMP-r/s星の観測された生成率の分散をどのように決定づけるかを定量化すること。
• 核物理モデルからの現実的で相関のある不確実性を、天体物理的結果へと伝搬させることで、i-過程の予測の信頼性を向上させること。

提案手法

• 非常に遅い熱的パulsation による H-インジェストイベントを模擬する 1ゾーンの流体力学モデルを用いた。
• CoH3 ハウザー＝フェシュバーグコードにおけるパラメータ不確実性から出発し、核不確実性を星間反応ネットワークを通じてモンテカルロ法で伝搬させた。
• NON-SMOKER、TALYS、CoH3 の3つの異なるハウザー＝フェシュバーグ反応率モデルを比較し、体系的モデル依存性を評価した。
• 22 個の中性子捕獲率を同時に変動させることで、非相関および相関のある両方の不確実性を考慮した統計的不確実性伝搬を実施した。
• 低金属量星の観測と比較可能な最終生成率における元素比 [Ba/La]、[La/Eu]、[Ba/Eu] を計算した。
• 不確実性伝搬フレームワーク内での非相関 vs. 全ての相関ありのレート変動を比較することで、相関の影響を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハウザー＝フェシュバーグ反応率モデル間の体系的差が、A ≈ 80 付近の予測される i-過程生成率にどのように影響するか？
• RQ2 中性子捕獲率における核不確実性の相関が、Ba、La、Eu の最終的生成率不確実性にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 反応率不確実性における相関の無視が、i-過程モデリングおよび観測比較においてなぜ問題となるのか？
• RQ4 異なる核モデルからの予測される [Ba/La] および [La/Eu] 比が、CEMP-r/s星の観測された分散とどのように比較されるか？
• RQ5 相関のある不確実性が、N=82 における i-過程核生成率の不確実性予算に定量的に及ぼす影響は何か？

主な発見

• 核反応率の相関を無視すると、i-過程条件下で最終的核種生成率の不確実性が最大で2桁も低く見積もられる。
• N=82 殻閉じに近い核種では、相関を含めた場合の最終的 Cs 生成率の不確実性は 3.5 倍に達するが、非相関の場合にはたった 6×10⁻³ にとどまる。
• [La/Eu] 比は、異なるハウザー＝フェシュバーグモデル間で約 0.5 デキシルの変動を示しており、i-過程の生成率予測における顕著なモデル依存性を示している。
• [Ba/La] 比は、反応率モデルの選択に応じて最大で 1 デキシルの不確実性を示しており、核入力への強い感受性を示している。
• NON-SMOKER の反応率を用いると、i-過程の生成率は観測された CEMP-r/s 星の範囲と重複し、多くのこのような星がより正確には CEMP-i 星と分類されるべきである可能性を示唆している。
• Te および I の最終的生成率は、核不確実性に対してほとんど感受性を示さないため、低金属量星における i-過程の痕跡を調べるのにはあまり有用ではない。