[论文解读] Propagation of Hauser-Feshbach uncertainty estimates to r-process nucleosynthesis: Benchmark of statistical property models for neutron rich nuclei far from stability

S. Nikas, G. Perdikakis+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2020

Nuclear reactor physics and engineering参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究调查了远离稳定线的富中子核素在Hauser-Feshbach中子捕获截面计算中的不确定性，发现外推的统计核模型（态密度与γ射线强度）会导致反应速率出现高达几个数量级的差异。这些不确定性显著影响r-过程核合成产物，阻碍理论模型与天文观测之间的可靠对比，凸显了改进核性质微观模型的迫切需求。

ABSTRACT

Multimessenger observations of the neutron star merger event GW170817 have re-energized the debate over the astrophysical origins of the most massive elements via the r-process nucleosynthesis. A key aspect of such studies is comparing astronomical observations to theoretical nucleosynthesis yields in a meaningful way. To perform realistic nucleosynthesis calculations, understanding the uncertainty in microphysics details such as nuclear reaction rates is as essential as understanding uncertainties in modeling the astrophysical environment. We present an investigation of neutron capture rate calculations' uncertainty away from stability using the Hauser-Feshbach model. We provide a quantitative measure of the calculations' dependability when we extrapolate models of statistical properties to nuclei in an r-process network. We select several level density and gamma-ray strength models appropriate for neutron-capture and use them to calculate the reaction rate for each nucleus in the network. We observe how statistical properties affect the theoretical reaction rates. The rates are then sampled with the Monte Carlo technique and used in network calculations to map the range of possible r-process abundances. The results show that neutron capture rates can vary by a couple of orders of magnitude between calculations. Phenomenological models provide smoother results than semi-microscopic. They cannot, however, reproduce nuclear structure changes such as shell closures. While semi-microscopic models predict nuclear structure effects away from stability, it is not clear that these results are quantitatively accurate. The effect of the uncertainty on r-process yields is large enough to impede comparisons between observation and calculations. Progress in developing better microscopic models of gamma strengths and level densities is urgently needed to improve the fidelity of r-process models.

研究动机与目标

• 量化当外推至远离稳定线的富中子核素时，Hauser-Feshbach中子捕获速率计算中的不确定性。
• 评估态密度与γ射线强度模型的变化对r-过程核合成产物的影响。
• 评估当前经验模型与半微观模型在r-过程条件下可靠预测核结构效应（如壳层闭合）的能力。
• 确定模型不确定性对r-过程丰度模式预测保真度的影响。
• 识别当前理论模型中的关键空白，这些空白阻碍了核合成计算与GW170817等事件观测数据之间的有意义比较。

提出的方法

• 系统性地从文献中选取适用于中子捕获计算的多种态密度与γ射线强度模型。
• 在10⁻⁴ GK至10 GK的温度范围内，使用所有有效的态密度与γ射线强度模型组合，计算r-过程核网络中各核素的中子捕获速率。
• 提取并分析E1γ射线强度与态密度，以追踪其对理论反应速率的影响。
• 应用蒙特卡洛采样方法，将速率不确定性传播至r-过程核合成网络计算中。
• 将蒙特卡洛结果与使用已发表速率（如Rauscher等、Mumpower等、Beard等）的单网络计算结果进行比较，涵盖两种天体物理情景：热中微子驱动风与中子星并合。
• 绘制可能的r-过程丰度结果范围，以评估当前理论预测的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同组合的态密度与γ射线强度模型如何影响r-过程中富中子核素的中子捕获速率预测？
• RQ2 外推的统计核模型在远离稳定线区域在多大程度上引入Hauser-Feshbach反应速率的不确定性？
• RQ3 经验模型与半微观模型在再现r-过程条件下核结构效应（如壳层闭合）方面的能力如何比较？
• RQ4 模型不确定性对最终r-过程丰度模式的累积影响是什么？
• RQ5 在识别出这些不确定性后，基于Hauser-Feshbach的当前核合成计算能否与观测数据进行有意义的比较？

主要发现

• 即使针对同一核素与温度，使用不同模型组合计算出的中子捕获速率也存在高达几个数量级的差异。
• 经验模型产生更平滑的速率趋势，但无法再现r-过程区域中诸如壳层闭合等显著核结构效应。
• 半微观模型能够预测壳层闭合等结构效应，但其定量准确性不足，引发其在外推区域可靠性方面的担忧。
• 由于模型外推导致的反应速率不确定性大到足以模糊r-过程丰度模式中的特征性结构，其影响程度相当于10倍随机速率变化的效果。
• 由于态密度与γ射线强度模型预测不一致所导致的联合不确定性，显著降低了r-过程核合成产物的可靠性，阻碍了与观测数据的直接比较。
• 本研究结论指出，亟需显著改进γ射线强度与态密度的微观模型，以提升r-过程模型的预测能力。