[논문 리뷰] The $^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li reaction and the Cosmological Lithium Problem: measurement of the cross section in a wide energy range at n_TOF (CERN)

L. Damone, M. Barbagallo외 156명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 CERN의 n_TOF 실험 시설에서 Si 탐지기와 고순도 $^{7}$Be 샘플을 사용하여 열에서 325 keV까지의 중성자 에너지 범위에서 $^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li 반응 단면적을 측정하였다. 이전 평가치보다 저에너지에서 더 높은 단면적을 관측하였지만, 초기 우주 핵합성(Big Bang Nucleosynthesis, BBN) 에너지 창에서 시간역전 대칭 데이터와 일관성을 유지하여, 우주론적 리튬 문제에 대한 개선은 미미한 수준에 그쳤다.

ABSTRACT

We report on the measurement of the $^{7}$Be($n, p$)$^{7}$Li cross section from thermal to approximately 325 keV neutron energy, performed in the high-flux experimental area (EAR2) of the n_TOF facility at CERN. This reaction plays a key role in the lithium yield of the Big Bang Nucleosynthesis (BBN) for standard cosmology. The only two previous time-of-flight measurements performed on this reaction did not cover the energy window of interest for BBN, and showed a large discrepancy between each other. The measurement was performed with a Si-telescope, and a high-purity sample produced by implantation of a $^{7}$Be ion beam at the ISOLDE facility at CERN. While a significantly higher cross section is found at low-energy, relative to current evaluations, in the region of BBN interest the present results are consistent with the values inferred from the time-reversal $^{7}$Li($p, n$)$^{7}$Be reaction, thus yielding only a relatively minor improvement on the so-called Cosmological Lithium Problem (CLiP). The relevance of these results on the near-threshold neutron production in the p+$^{7}$Li reaction is also discussed.

연구 동기 및 목표

• 이전의 시간간격 측정치 간의 이중성 불일치를 해결하기 위해.
• 초기 우주 핵합성(Big Bang Nucleosynthesis, BBN)에 중요한 에너지 범위, 특히 열 에너지에서 약 325 keV 사이의 단면적을 측정하기 위해.
• 측정된 단면적이 우주론적 리튬 문제(Cosmological Lithium Problem, CLiP)의 해결에 기여하는지 평가하기 위해.
• p+$^{7}$Li 반응에서 임계점 근처 중성자 생성에 대한 결과의 관련성을 평가하기 위해.

제안 방법

• CERN의 n_TOF 시설의 고유량 실험 영역(EAR2)에서 측정을 수행하였다.
• Si 탐지기를 사용하여 $^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li 반응에서 발생하는 프로톤을 탐지하였다.
• ISOLDE 시설에서 이온 빔 임플랜테이션을 통해 제작된 고순도 $^{7}$Be 샘플을 사용하였다.
• 시간간격 스펙트로스코피를 수행하여 중성자 에너지를 결정하고 넓은 에너지 범위에서 단면적을 측정하였다.
• 시간역전 반응인 $^{7}$Li(p,n)$^{7}$Be 반응에서 유추된 값과 비교하여 일관성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BBN 관련 에너지 범위에서 측정된 $^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li 단면적이 이전 측정치 간의 장기적인 이중성 불일치를 해결하는가?
• RQ2 새로운 단면적 데이터가 저에너지 중성자 영역에서 현재의 핵데이터 평가치와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 새로운 측정치가 우주론적 리튬-7 농도의 불일치(우주론적 리튬 문제)를 어느 정도 줄이는가?
• RQ4 측정된 단면적이 p+$^{7}$Li 반응에서 임계점 근처 중성자 수율에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 저에너지 중성자 영역에서 측정된 단면적은 현재의 평가치보다 뚜렷이 높으며, 특히 열 에너지 근처에서 두드러진다.
• BBN 관련 에너지 창(약 325 keV 이하)에서, 새로운 결과는 시간역전 반응인 $^{7}$Li(p,n)$^{7}$Be에서 추론된 값과 일관성이 있다.
• 이전 시간간격 측정치 간의 이중성 불일치가 해결되었으며, 본 연구의 데이터는 시간역전 제약 조건과 향상된 일관성을 보였다.
• 우주론적 리튬-7 생성률 향상은 상대적으로 미미하여, 우주론적 리튬 문제 해결에 대한 영향은 제한적임을 시사한다.
• 결과는 BBN 에너지 범위에서 $^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li 단면적이 이제 잘 제약되어 있음을 시사하며, 초기 우주 핵합성 계산의 불확실성을 감소시킨다.