[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究探讨了基于改进的理论计算和最新实验数据获得的更新后β衰变半衰期对中子星并合与中微子驱动风中天体物理r-过程核合成的影响。在N=82和N=126等待点处更短的半衰期加速了质量流，增强了中子消耗，并改变了冻结条件，导致向重核的运输加快，显著改变了丰度分布，特别是在中子星并合的自发裂变碎片区域。

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.

研究动机与目标

• 评估更新后的β衰变半衰期对天体物理环境中r-过程核合成动力学的影响。
• 评估实验数据和改进的理论模型（例如DF3集合）如何挑战基于标准FRDM的预测。
• 研究更短半衰期对物质流经N=82和N=126处r-过程等待点的后果。
• 在两种 favored r-过程场所（中微子驱动风与中子星并合）之间进行比较。
• 确定衰变速率改变如何影响最终的r-过程丰度分布，特别是在第三峰区域及自发裂变循环区域。

提出的方法

• 采用基于能量密度泛函理论的自洽QRPA计算所得的DF3集合β衰变半衰期。
• 在中微子驱动风和中子星并合情景下，使用新半衰期执行r-过程模拟。
• 将结果与基于标准FRDM的半衰期进行比较，以隔离更短衰变时间的影响。
• 追踪r-过程路径上的物质流、中子消耗和冻结条件。
• 分析丰度分布，重点关注N=82和N=126等待点附近以及自发裂变碎片区域的变化。
• 评估禁戒跃迁和N=126附近核素的集体效应在第三峰区域的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在N=82和N=126处更短的β衰变半衰期如何影响物质流经r-过程等待点的速度？
• RQ2 由于更短半衰期导致的更快中子消耗，对r-过程冻结条件有何后果？
• RQ3 更新后的半衰期如何改变第三峰区域的最终r-过程丰度分布？
• RQ4 在中子星并合情景中，更短半衰期如何影响自发裂变循环和质量传输？
• RQ5 新半衰期在高温r-过程环境中在多大程度上改变了(n,γ)–(γ,n)平衡条件？

主要发现

• 在N=82和N=126处更短的β衰变半衰期导致通过等待点的物质流加快，加速向更重核的运输。
• 由于更快的衰变速率，中子消耗增加，冻结条件发生偏移，改变了r-过程末期的天体物理环境。
• 在冷r-过程情景下，由于更快通过N=82等待点，更多物质被输运至A=130以上，尽管第三峰丰度因中子可用性的竞争而保持相似。
• 在热r-过程情景下，通过N=82的更快衰变增强了(n,γ)–(γ,n)平衡的偏移，使同位素链中更倾向于形成不同核素，但这些效应在衰变至稳定性时大多被抹去。
• 在中子星并合模型中，更短的半衰期减少了自发裂变循环时间，使从裂变碎片向重核的运输更高效，并在冻结后仍维持物质流。
• 由于更短的半衰期，在晚期N=126区域出现显著的丰度变化，表明即使在冻结后，衰变速率仍持续影响最终丰度。