[論文レビュー] Local and global effects of beta decays on r-process

Óscar Caballero, Almudena Arcones+3 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2014

Radioactive Decay and Measurement Techniques参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、改善された理論的計算と最近の実験データに基づく更新されたベータ壊変半減期が、中性子星合体およびニュートリノ駆動風における宇宙創生的r過程核生成に与える影響を調査する。N=82およびN=126の待ち行列点における短い半減期は、質量の流れを加速させ、中性子の消費を増加させ、凍結条件を変化させ、重い核への輸送を促進し、特に中性子星合体の核分裂断片領域における元素の同位体パターンに顕著な変化をもたらす。

ABSTRACT

Nuclear beta decay rates are an essential ingredient in simulations of the astrophysical r-process. Most of these rates still rely on theoretical modeling. However, modern radioactive ion-beam facilities have allowed to measure beta half lives of some nuclei on or close to the r-process path. These data indicate that r-process half lives are in general shorter than anticipated in the standard theoretical predictions based on the Finite Range Droplet Model (FRDM). The data have also served as important constraints for improved predictions of half lives based on continuum QRPA calculations on top of the energy-density functional theory. Although these calculations are yet limited to spherical nuclei, they include the important r-process waiting point nuclei close to and at the neutron magic numbers $N=50, 82$ and 126. We have studied the impact of these new experimental and theoretical half lives on r-process nucleosynthesis within the two astrophysical sites currently favored for the r process: the neutrino-driven wind from the freshly born neutron star in a supernova explosion and the ejecta of the merger of two neutron stars. We find that the, in general, shorter beta decay rates have several important effects on the dynamics of r-process nucleosynthesis. At first, the matter flow overcomes the waiting point nuclei faster enhancing matter transport to heavier nuclei. Secondly, the shorter half lives result also in a faster consumption of neutrons resulting in important changes of the conditions at freeze-out with consequences for the final r-process abundances. Besides these global effects on the r-process dynamics, the new half lives also lead to some local changes in the abundance distributions.

研究の動機と目的

• 更新されたベータ壊変半減期が、天体物理学的環境におけるr過程核生成ダイナミクスに与える影響を評価すること。
• 実験データおよび改良された理論モデル（例：DF3セット）が、標準的なFRDMベースの予測に挑戦する方法を評価すること。
• N=82およびN=126のr過程待ち行列点における短い半減期が物質の流れに与える影響を調査すること。
• 2つの好ましいr過程生成環境（ニュートリノ駆動風および中性子星合体）における影響を比較すること。
• 変更された崩壊率が、特に第3ピークおよび核分裂サイクル領域における最終的なr過程同位体パターンに与える影響を特定すること。

提案手法

• エネルギー密度関数理論の上に自己無撞撃QRPA計算に基づくDF3セットのベータ壊変半減期を用いた。
• 新しい半減期を用いて、ニュートリノ駆動風および中性子星合体シナリオの両方におけるr過程シミュレーションを実施した。
• 標準的なFRDMベースの半減期と比較することで、短い崩壊時間の影響を明確にした。
• r過程経路全体における物質の流れ、中性子の消費、凍結条件を追跡した。
• N=82およびN=126の待ち行列点周辺および核分裂断片領域における同位体分布の変化に焦点を当て、同位体パターンを分析した。
• 特に第3ピーク領域における、N=126近傍の核における禁止遷移および集団効果の役割を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 N=82およびN=126における短いベータ壊変半減期は、r過程待ち行列点を通る物質の流れの速度にどのように影響するか？
• RQ2 短い半減期による中性子の消費が速くなることで、r過程の凍結条件にどのような影響が生じるか？
• RQ3 更新された半減期は、第3ピーク領域における最終的なr過程同位体パターンにどのように変化をもたらすか？
• RQ4 短い半減期は、中性子星合体シナリオにおける核分裂サイクルおよび質量輸送にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 新しい半減期は、高温r過程環境における(n,γ)–(γ,n)平衡状態にどの程度影響を及ぼすか？

主な発見

• N=82およびN=126における短いベータ壊変半減期は、待ち行列点を通る物質の流れを速め、重い核への輸送を加速させる。
• 速い崩壊率により中性子の消費が増加し、凍結条件が変化し、r過程の終焉における天体物理学的環境が変化する。
• 冷たいr過程シナリオでは、N=82待ち行列点を素早く通過するため、A=130を超える物質の輸送が増加するが、中性子の入手可能性の競合により第3ピークの同位体量はほぼ同じままである。
• 高温r過程シナリオでは、N=82を通る速い崩壊が(n,γ)–(γ,n)平衡のシフトを促進し、同位体系列内で異なる核種が優位になる傾向を示すが、安定核への崩壊過程でこれらの効果はほとんど洗い流される。
• 中性子星合体モデルでは、短い半減期により核分裂サイクルの周期が短くなり、核分裂断片から重い核への効率的な輸送が可能になり、凍結後も物質の流れが維持される。
• 短い半減期により、遅い段階でN=126領域に顕著な同位体パターンの変化が生じ、これは、凍結後でさえも崩壊率が最終的な同位体分布に影響を及けることを示している。