[论文解读] PANDORA project: photo-nuclear reactions below $A=60$

A. Tamii, L. Pellegri+79 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2022

Nuclear physics research studies参考文献 4被引用 4

一句话总结

PANDORA项目通过质子散射的虚拟光子激发和激光康普顿散射γ束的真实光子吸收，研究轻核（A < 60）中的光致核反应，以测量光吸收截面和衰变分支比。该项目结合先进的核模型与TALYS反应代码，降低不确定性，并支持超高能宇宙射线传播的天体物理模拟。

ABSTRACT

Photo-nuclear reactions of light nuclei below a mass of $A=60$ are studied experimentally and theoretically by the PANDORA (Photo-Absorption of Nuclei and Decay Observation for Reactions in Astrophysics) project. Two experimental methods, virtual-photon excitation by proton scattering and real-photo absorption by a high-brilliance gamma-ray beam produced by laser Compton scattering, will be applied to measure the photo-absorption cross sections and the decay branching ratio of each decay channel as a function of the photon energy. Several nuclear models, e.g. anti-symmetrized molecular dynamics, mean-field type models, a large-scale shell model, and ab initio models, will be employed to predict the photo-nuclear reactions. The uncertainty in the model predictions will be evaluated from the discrepancies between the model predictions and the experimental data. The data and the predictions will be implemented in a general reaction calculation code TALYS . The results will be applied to the simulation of the photo-disintegration process of ultra-high-energy cosmic rays in inter-galactic propagation.

研究动机与目标

• 系统测量轻核（A < 60）在一系列光子能量下的光吸收截面和衰变分支比。
• 通过将模型输出与高精度实验数据对比，减少光致核反应理论预测的不确定性。
• 将实验和理论结果整合到TALYS反应代码中，以拓展其在天体物理学和核技术中的应用。
• 利用改进的核反应输入，研究超高能宇宙射线在星间传播过程中的光致分解。
• 通过精确的反应数据，支持核天体物理学、辐射安全、医用同位素生产和闪电物理等应用。

提出的方法

• 通过轻核上的质子散射实现虚拟光子激发，间接探测光反应强度函数。
• 利用RCNP、iThemba LABS和ELI-NP等设施的激光康普顿散射产生的高亮度γ射线，进行直接真实光子吸收测量。
• 测量光吸收截面和衰变分支比（如(γ,n)、(γ,p)、(γ,2n)）随入射光子能量的变化。
• 应用多种理论模型：反对称分子动力学（AMD）、平均场模型、大尺度壳模型和无核壳模型（NCSM）进行预测。
• 通过将预测结果与实验数据对比，量化模型不确定性，并将差异反馈至TALYS以改进反应建模。
• 将所有实验和理论数据整合至TALYS反应代码中，用于天体物理和科技模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 轻核（A < 60）的精确光吸收截面和衰变分支比如何随光子能量变化？
• RQ2 不同核模型（AMD、平均场、壳模型、从头计算NCSM）如何预测光致核反应速率，其系统性不确定性如何？
• RQ3 质子散射和激光康普顿γ束的实验数据在多大程度上解决了理论预测与现有数据之间的差异？
• RQ4 改进的核反应输入如何影响星间空间中超高能宇宙射线光致分解的模拟？
• RQ5 光致核反应在大气闪电诱导的γ射线发射和正电子产生中起什么作用？

主要发现

• PANDORA项目计划通过两种互补的实验技术——质子散射和激光康普顿γ束——测量轻核（A < 60）的光致核反应数据。
• RCNP的首次束流实验预计于2022年启动，iThemba LABS于2023年启动，ELI-NP的LCS γ束装置预计于2023年底完成初步调试。
• 系统性数据采集预计持续5至10年，可实现对光反应截面和分支比的全面测绘。
• 将使用AMD、平均场、大尺度壳模型和无核壳模型等理论模型进行反应预测，并通过与实验对比量化不确定性。
• 将实验数据和模型不确定性整合进TALYS反应代码，可提升星间空间中超高能宇宙射线传播模拟的准确性。
• 该项目支持多种应用，包括医用同位素生产、辐射安全以及对大气中闪电诱导核反应的理解。