[论文解读] 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. Barbagallo+156 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本研究在CERN的n_TOF设施中，利用硅（Si）电镜和高纯度$^{7}$Be样品，测量了从热中子能区到325 keV中子能量的$^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li反应截面。结果表明，低能区截面高于以往评估值，但在大爆炸核合成（BBN）能量窗口内与时间反演数据保持一致，对宇宙学锂问题的改善有限。

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.

研究动机与目标

• 解决以往飞行时间测量中$^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li反应截面存在的差异问题。
• 测量大爆炸核合成（BBN）关键能量区间的截面，特别是从热中子能区到约325 keV的范围。
• 评估所测截面是否有助于改善宇宙学锂问题（CLiP）的解决方案。
• 评估结果对p+$^{7}$Li反应中近阈值中子产额的相关性。

提出的方法

• 在CERN的n_TOF设施高通量实验区（EAR2）进行测量。
• 使用硅（Si）电镜探测$^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li反应产生的质子。
• 采用在ISOLDE设施通过离子束注入制备的高纯度$^{7}$Be样品。
• 通过飞行时间谱学确定中子能量，并在宽能量范围内测量截面。
• 将结果与时间反演的$^{7}$Li(p,n)$^{7}$Be反应进行比较，以验证一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 所测得的$^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li截面在BBN相关能量区间是否解决了以往测量之间长期存在的差异？
• RQ2 新截面数据与当前核数据评估相比，特别是在低中子能量区如何？
• RQ3 新测量在多大程度上减少了宇宙中锂-7丰度的差异（即宇宙学锂问题）？
• RQ4 所测截面对p+$^{7}$Li反应中近阈值中子产额有何影响？

主要发现

• 在低中子能量区，测得的截面显著高于当前评估值，尤其是在热中子能区附近。
• 在BBN相关能量窗口（最高约325 keV）内，新结果与时间反演的$^{7}$Li(p,n)$^{7}$Be反应推断的值一致。
• 先前飞行时间测量之间的差异得到解决，本研究数据与时间反演约束条件表现出更好的一致性。
• 宇宙学锂-7产额的改善相对有限，表明对解决宇宙学锂问题的影响较小。
• 结果表明，$^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li截面在BBN能量区间已得到良好约束，降低了大爆炸核合成计算中的不确定性。