[논문 리뷰] Fission and the r-process nucleosynthesis of translead nuclei

Samuel A. Giuliani, G. Martı́nez-Pinedo외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 07.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 중성자별 융합에서 r-과정 동안 핵분열이 초수은 원소 합성에 미치는 영향을 조사한다. 미세한 핵물성 데이터를 사용하여, 분열 재활용이 자유 중성자 농도에 상당한 영향을 미치고, 무거운 원소의 최종 수율에 영향을 주며, 이는 킬로노바 빛의 곡선과 관련된 방사성 에너지 생산을 형성함을 입증한다.

ABSTRACT

We study the impact of fission on the production and destruction of translead nuclei during the r-process nucleosynthesis occurring in neutron star mergers. Abundance patterns and rates of nuclear energy production are obtained for different ejecta conditions using two sets of stellar reaction rates, one of which is based on microscopic and consistent calculations of nuclear masses, fission barriers and collective inertias. We show that the accumulation of fissioning material during the r process can strongly affect the free neutron abundance after the r-process freeze-out. This leads to a significant impact on the abundances of heavy nuclei that undergo $\alpha$ decay or spontaneous fission, affecting the radioactive energy production by the ejecta at timescales relevant for kilonova emission.

연구 동기 및 목표

• 중성자별 융합에서 r-과정 동안 초수은 핵의 생성 및 파괴에 핵분열 과정이 미치는 영향을 이해하는 것.
• r-과정 동결 후 자유 중성자 농도에 대한 분열 재활용의 영향을 평가하는 것.
• 특히 알파 붕괴 또는 자발적 분열을 통해 붕괴되는 원소들의 최종 농도 분포에 대한 분열의 영향을 평가하는 것.
• 킬로노바 방출 시간스케일과 관련된 방사성 에너지 생산의 변화를 정량화하는 것.

제안 방법

• 미세한 핵질량, 분열함수, 집단 관성 계산에 기반한 일관된 핵반응률 세트를 사용한다.
• 온도, 중성자 밀도, 동결 시간이 변하는 다양한 분출 조건에서 r-과정 핵합성을 시뮬레이션한다.
• 분열하는 동위원소와 그들이 더 가벼운 원소로 재활용되는 과정을 추적한다.
• 무거운 원소의 붕괴 사슬에서 발생하는 자유 중성자 농도와 방사성 에너지 생산을 계산한다.
• 분열 활성 및 비활성 시나리오 간의 결과를 비교하여 분열 효과를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자별 융합 분출에서 r-과정 동결 후 분열 재활용은 자유 중성자 농도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 분열은 초수은 핵의 최종 농도 분포에 얼마나 큰 영향을 미치는가, 특히 알파 붕괴 또는 자발적 분열을 겪는 원소들에 대해 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 특히 미세한 계산에 기반한 핵반응률 세트는 예측된 r-과정 수율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 분열은 킬로노바 빛의 곡선을 구동하는 방사성 에너지 생산에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 반복적인 분열 사이클 중 중성자 방출로 인해, r-과정 동결 후 자유 중성자 농도가 분열 재활용으로 인해 상당히 감소한다.
• 분열 물질의 축적은 특히 r-과정의 두 번째 피크 근처의 무거운 원소의 최종 농도 분포에 영향을 미친다.
• 알파 붕괴 또는 자발적 분열을 통해 붕괴되는 핵의 수율은 분열에 의해 크게 영향을 받으며, 이는 방사성 에너지 생산 기여도에 변화를 초래한다.
• 방사성 붕괴에서 발생하는 에너지 생산은 상당히 영향을 받으며, 이는 킬로노바 빛의 곡선 모델링에 영향을 미친다.