[논문 리뷰] Determination of $^{170,172}$Yb($α,n$)$^{173,175}$Hf reaction cross sections in a stacked-target experiment

Martin Müller, Felix Heim외 3명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 09.

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한 줄 요약

저자는 170Yb(α,n)173Hf 및 172Yb(α,n)175Hf 크로스섹션을 스택드 타깃 활성화 방법으로 측정하고, Mn 벤치마크로 검증했으며, 결과를 TALYS 알파-OMP 예측과 비교하여 데이터 재현에 기여한 여러 알파-오목-모델 포텐셜(alpha-optical-model potentials)을 강조했습니다.

ABSTRACT

The ytterbium isotopic chain offers multiple stable isotopes on which cross sections can be measured and insights into the evolution of the $α$ optical-model potential with the neutron-to-proton ratio can be gained. It also includes the $p$ nucleus $^{168}$Yb, the abundance of which is significantly impacted by the $^{164,166}$Yb($α,γ$) reactions. In order to study the $^{170,172}$Yb($α,n$)$^{173,175}$Hf reaction cross sections and compare them with $^{168}$Yb($α,n$)$^{171}$Hf cross sections, that have already been measured, the activation method was used. During irradiation the targets were arranged in stacks of four to reduce the required irradiation time. The average interaction energy inside each ytterbium layer was determined via Geant4 simulations. A manganese layer was used to verify the simulations by comparing the measured $^{55}$Mn($α,(2)n$)$^{57,58}$Co reaction cross sections to previous results. For irradiation the 10 MV FN tandem accelerator located at the University of Cologne was used and the activation measurement was performed utilizing the Cologne Clover Counting setup. For the $^{170}$Yb($α,n$) reaction seven cross sections at center-of-mass energies between 12.7 and 16.5 MeV were measured. For the $^{172}$Yb($α,n$) reaction six cross sections for center-of-mass energies of 13.1 to 16.5 MeV could be determined with an additional upper limit at E$_{c.m.}$ = 12.3 MeV. Comparisons to theoretical models show that state-of-the-art $α$-optical model potentials are able to reproduce the measured cross sections very well. The ratios of ($α, n$) reaction cross sections in the ytterbium isotopic chain can be accurately reproduced as well.

연구 동기 및 목표

• p-process 반응과 관련된 알파-핵 상호작용 모델 포텐셜(OMPs)을 제약한다.
• Hauser-Feshbach 입력을 테스트하기 위해 170Yb(α,n)173Hf 및 172Yb(α,n)175Hf의 실험적 크로스 섹션을 얻는다.
• 벤치마크 반응과 시뮬레이션으로 활성화-방법 스택드 타깃 접근법을 검증한다.
• 크로스섹션 비율을 통해 Yb 동위원소들 간 알파-OMP의 진화 평가한다.

제안 방법

• 알루미늄 백커링을 가진 네 개의 타깃 챔버로 구성된 스택드 활성화 측정.
• Geant4 기반 상호작용 에너지 및 타깃 두께 불확실성 결정; Srim 교차확인.
• Cologne Clover Counting 설정으로 감마선 분광을 수행하여 여러 선과 배경으로부터 수율 추출.
• 저에너지 170Yb 타깃을 이용한 배경 차감 기법으로 175Hf 신호를 분리하고 불확실성 전파.
• 11–15.7 MeV 범위에서 55Mn(α,2n)57,58Co 참조 반응과의 정규화 및 검증.
• 다양한 α-OMP 모델(Demetriou, Avrigeanu, Mohr, McFadden–Satchler, Koning)을 사용한 TALYS-1.95로 이론적 크로스 섹션 계산 및 데이터와의 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최신의 α-OMP 모델이 측정된 170Yb 및 172Yb의 α유발 (n) 크로스 섹션을 실험 불확실성 내에서 재현할 수 있는가?
• RQ2 실험적으로 결정 된 크로스 섹션 및 Yb 동위원소 간 비율이 α-OMP의 진화를 중성자 대 프로톤 비율과 함께 어떻게 제약하는가?
• RQ3 다른 α-OMP 매개변수화가 예측 크로스 섹션 및 외삽된 천체 반응 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 스택드 타깃 방법이 Geant4 에너지 손실 모델링과 함께 이러한 반응에 대해 상호 작용 에너지 및 타깃 두께 불확실성을 신뢰성 있게 결정하는가?
• RQ5 선택된 α-OMPs와 함께 TALYS 예측이 Yb–Hf 사슬에서 측정된 크로스 섹션과 비율을 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• 12.7–16.5 MeV 에서 170Yb(α,n)173Hf의 일곱 개 크로스 섹션을 측정.
• 13.1–16.5 MeV에서 172Yb(α,n)175Hf의 여섯 개 크로스 섹션을 측정, 12.3 MeV에서 상한값.
• 모든 측정 크로스 섹션은 이론 모델의 최신 α-OMP 입력에 의해 매우 잘 재현된다.
• Yb 동위원소 간의 크로스 섹션 비율은 이론에 의해 정확히 재현되며, 비율은 주요 매개변수 민감도 식별에 도움을 준다.
• 배경 차감으로 실험 감도가 약 네 배 향상되었다.
• 벤치마크 55Mn(α,2n)57,58Co 반응은 활성화 방법과 에너지 손실 시뮬레이션을 검증했다.