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天体快中子俘获过程中β衰变半衰期不确定性的研究

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天体快中子俘获过程中β衰变半衰期不确定性的研究

作者：陈静安徽大学

学位级别：硕士

宇宙重元素的起源是核物理与天体物理共同关注的科学问题,其中快中子俘获过程(r过程)产生了大约一半比铁重和所有比铋重的元素。原子核质量、β衰变半衰期和中子俘获率是r过程研究的基本核物理输入量。然而,由于核力和核多体计算的困难,... 详细信息

宇宙重元素的起源是核物理与天体物理共同关注的科学问题,其中快中子俘获过程(r过程)产生了大约一半比铁重和所有比铋重的元素。原子核质量、β衰变半衰期和中子俘获率是r过程研究的基本核物理输入量。然而,由于核力和核多体计算的困难,r过程核物理输入的精确预测仍然是核物理中尚待解决的科学难题。原子核β衰变控制着r过程同位素链之间的丰度流动,因此,原子核的β衰变半衰期决定了r过程核合成的时间,是r过程合成重元素的关键核输入量。然而,目前各种核模型对远离稳定线未知原子核β衰变半衰期的预测存在仍较大偏差,因此,研究β衰变半衰期不确定性对r过程模拟的影响对理解宇宙重元素起源具有重要意义。本文使用Nuc Net工具模拟r过程核合成,在初始电子分数分别为0.1和0.3的两种热风条件下,采用包括唯象公式、Gross理论、微观QRPA模型和机器学习方法在内的7种原子核β衰变半衰期,系统研究了原子核β衰变半衰期不确定性对r过程模拟的影响,取得如下创新成果:(1)原子核β衰变半衰期的不确定性:在已知区域,β衰变半衰期的不确定性随着半衰期的减小而逐渐减小,对于半衰期小于1秒的短寿命原子核,β衰变半衰期的不确定性降至约0.5个数量级。在未知区域,对于N?126的重核,β衰变半衰期预测的理论偏差较大,一般大于1个数量级,而对于N?126的重核,β衰变半衰期预测的理论偏差一般小于1个数量级。(2)β衰变半衰期不确定性对中种比的影响:中子与种子核的丰度比值(中种比)是决定r过程冻结时刻的关键物理量,对宇宙重元素的合成具有重要影响。研究发现,中种比在冻结时间前后急剧下降,原子核β衰变半衰期对冻结时间有显著影响。对于初始电子分数为0.1和0.3的环境,不同β衰变半衰期预言的冻结时间分别约为0.7-1.2秒和0.3–0.5秒。β衰变半衰期较短的核模型冻结时刻较早到达并更早产生重核,这将导致冻结后早期的中种比较低。中种比在冻结后下降非常缓慢,但β衰变半衰期的预测对中种比的影响仍然显著,各种半衰期预测计算出的中种比差异甚至接近2个数量级。(3)β衰变半衰期不确定性对r过程丰度的影响:核裂变对r过程模拟有重要影响,本文在r过程模拟中引入了原子核裂变以便更好地模拟r过程丰度。研究发现,原子核β衰变寿命对超铀元素的丰度有显著影响,这些超铀元素通过核裂变在重现太阳r过程丰度的第二峰和稀土峰以及填平这两峰之前的低谷具有重要作用。此外,还仔细研究了r过程丰度随时间的演化,结果表明,在冻结前,使用不同半衰期核模型得到的r过程丰度具有普遍的振荡模式,而在冻结后,原子核的β衰变半衰期将显著影响r过程的详细丰度分布,β衰变半衰期模拟的最终r过程丰度的不确定性约为0.5个数量级。

关键词：原子核β衰变快中子俘获过程重元素合成 r过程丰度

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天体环境下快中子俘获过程相关的核物理

物理 2013年第7期42卷 505-514页

作者：李竹孙保华孟杰北京航空航天大学物理科学与核能工程学院北京100191 北京大学物理学院北京100871

在人类历史上,曾经吸引无数哲学家、天文学家思考的一个问题是"我们从哪里来"。现代的科学研究揭示了一个答案:恒星。恒星产生了构成生命的主要元素,如碳、氧、氮、硫等,但是比铁更重的元素,如金、铂、铀等,却无法在恒星内部产生。由于... 详细信息

在人类历史上,曾经吸引无数哲学家、天文学家思考的一个问题是"我们从哪里来"。现代的科学研究揭示了一个答案:恒星。恒星产生了构成生命的主要元素,如碳、氧、氮、硫等,但是比铁更重的元素,如金、铂、铀等,却无法在恒星内部产生。由于原子核物理实验与天文观测技术的限制,这些重元素的起源仍有许多不确定性。文章主要探讨重元素起源的一个重要合成机制——快中子俘获过程,以及相关的原子核物理观测量,如原子核质量、半衰期、中子俘获截面和裂变等,并回顾最新的实验和理论进展。

关键词：快中子俘获过程丰中子原子核原子核质量原子核寿命中子俘获截面裂变

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宇宙炼金术

环球科学 2023年第3期 22-29页

作者：桑贾娜·柯蒂斯(Sanjana Curtis) 操小凤(翻译) 俞云伟(审校) 不详

快中子俘获过程,这种只存在于理论预言中的宇宙炼金术可以合成一系列宇宙中最重的元素。而在中子星并合的璀璨爆炸中,天文学家终于发现了它确实发生过的证据。

关键词：中子星炼金术理论预言快中子俘获过程宇宙天文学家

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原子核质量及其对R-过程的影响

原子核质量及其对R-过程的影响

作者：王晨南京航空航天大学

学位级别：硕士

宇宙中元素的起源是当今核天体物理中的热门话题之一。1957年,Burbidge夫妇、Willian ***和***提出了宇宙中的核合成理论中一种可能的途径就是快中子俘获过程,这个过程包含两方面的因素,一是发生快中子俘获过程的天体环境,二是核输入量... 详细信息

宇宙中元素的起源是当今核天体物理中的热门话题之一。1957年,Burbidge夫妇、Willian ***和***提出了宇宙中的核合成理论中一种可能的途径就是快中子俘获过程,这个过程包含两方面的因素,一是发生快中子俘获过程的天体环境,二是核输入量。虽然快中子过程的提出已有60多年,但人们对它的了解仍不透彻,一是人们对发生快中子俘获过程的天体场所不确定;二是缺乏对快中子俘获过程中产生的远离稳定线的丰中子核素的认识,当前必须借助原子核质量模型来帮助人们理解超重元素的起源问题,所以,这就要求理论上发展精度更高、对未知原子核质量的预言更加准确可靠的原子核质量模型。一,本文使用了宏观-微观模型,即WS*模型,研究了对称能中的斜率参数L和S对快中子俘获过程的影响。其中,天体环境采用核心坍缩的超新星爆发时的中微子驱动星风,原子核质量采用实验值和WS*模型下的理论外推值。WS*模型考虑了同位旋不对称性及镜像核约束等微观修正,是当前对已知核质量拟合最好的质量模型。通过改变斜率参数L和S的值并运行WS*模型得到Cd的质量并将其替换基线质量数据,反复运行核反应网络方程,将改变输入量的丰度分布曲线与基线做对比并分析,得到L=45、S=28时,元素丰度分布曲线整体变化较大,对A=130之后的元素演化产生显著影响。二,本文介绍了微观模型,即DRHBc模型构建质量表工作的初步进展。该质量模型可以实现对形变项、连续谱效应和对关联效应的自洽描述,同时可以自洽给出原子核的壳结构信息、基态以及激发态的性质,而且协变性要求也减少了模型中的参数,并且对已知质量的原子核也符合得很好。本文给出了具有满意精度的偶偶核DRHBc质量表的数值计算细节,以No、Hs和Ds同位素链从质子滴线到中子滴线之间的偶偶核为例,进行了系统的DRHBc计算,确定了定位基态的方法,并通过约束计算进行了验证,得到了No、Hs和Ds同位素的基态性质;对超重核区超出初始中子滴线这一发现进行了研究,发现形变效应会显著影响费米能级附近的单中子能级结构,对稳定岛的形成起着不可或缺的作用。最后,本文展望了L和S的取值及其他丰中子核对快中子俘获过程影响的研究以及DRHBc质量表构建的下一步工作,并且后续将该质量表应用到快中子俘获过程的研究中,一方面可以使得快中子俘获过程的模拟更加精确,另一方面可以对该质量模型进行检验。

关键词：核合成快中子俘获过程原子核质量模型 WS*模型 DRHBc模型形变效应

R-过程对核输入量的敏感性研究及轻质量区超形变核态研究

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R-过程对核输入量的敏感性研究及轻质量区超形变核态研究

作者：向旭辉南京航空航天大学

学位级别：硕士

本论文的研究重要分为两个部分:一是推转壳模型下的粒子数守恒方法对轻质量的超形变原子核的研究;二是快中子俘获过程对多种核输入量的敏感性研究。推转壳模型下的粒子数守恒方法对轻质量的超形变原子核的研究原子核的超形变转动带一直... 详细信息

本论文的研究重要分为两个部分:一是推转壳模型下的粒子数守恒方法对轻质量的超形变原子核的研究;二是快中子俘获过程对多种核输入量的敏感性研究。推转壳模型下的粒子数守恒方法对轻质量的超形变原子核的研究原子核的超形变转动带一直是原子核结构研究中的一个重要课题,第一个实验上发现的超形变核是152Dy,传统的超形变带多位于4 = 80,150,190的质量区域,最近15年间人们陆续在实验上发现了轻核区(A≈40)的超形变带:36Ar、40Ar、40Ca。这些幻数核或近幻数核中的形状共存现象为理论模型提供了良好的测试平台。本文采用的推转壳模型下的粒子数守恒方法在研究A ≈ 170核区的正常形变核以及A≈150,190核区的超形变核的性质时是非常成功的,本文首次将粒子数守恒方法用于轻核区超形变原子核的研究。粒子数守恒方法很好地重现了轻核区超形变带的实验数据,通过分析费米面附近的单粒子轨道的填布几率,质子和中子轨道特别是高-j闯入轨道对角动量顺排的贡献,给出了这些核的组态标记,解释了这些核的微观结构及转动惯量的回弯机制。这些结果说明粒子数守恒方法在该核区是适用的,并可用来研究一些更重的核(如62Zn)的超形变带。快中子俘获过程对多种核输入量的敏感性研究元素的起源一直是科学家们关注的热门话题,1957年Burbidge等人提出的核合成理论为人们揭开了宇宙中元素形成的神秘面纱,其中有大约一半的核素是由快中子俘获过程合成的。可是人们对快中子俘获过程的了解还非常有限,这是因为人们并不能确定发生快中子俘获过程的天体场所,以及人们对快中子俘获过程中产生的远离稳定线的丰中子核素的知识的缺乏。所以,研究快中子俘获过程对这些丰中子核的物理性质的敏感性对深入了解快中子俘获过程以及确定其发生的天体场所都是非常有意义的。实验上,人们观测到了太阳系的元素丰度分布数据,并通过物化分离法确定了快中子俘获过程对丰度数据的贡献,为快中子俘获过程的研究提供了依据。本文采用的天体环境为核心坍缩型超新星爆发伴随的中微子驱动星风,采用己知核的实验数据加上WS*模型的理论计算值的质量表,因为WS*质量模型考虑了同位旋不对称性及镜像核约束等微观修正,对已知核质量的拟合是现今所有质量模型中最好的。在此基础上,本文通过改变单个核某一核输入量后,进行快中子俘获过程的模拟计算,得到最终的理论丰度分布,与实验观测数据及基线值比较得出了快中子俘获过程对单个原子核的原子核质量、β衰变截面、中子俘获截面的敏感性,且对这三种核输入量都较为敏感的核只有136Cd。此外,本文通过WS*质量模型研究了对称能中的L和S0参数原子核质量的影响进而对快中子俘获过程的影响。最后,本文展望了单个核的多种物理量同时对快中子俘获过程的影响的研究,这对确定发生快中子俘获过程的天体场所是很有意义的。

关键词：推转壳模型粒子数守恒方法超形变带核合成快中子俘获过程 WS*质量模型

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天炉座矮星系贫金属星元素丰度分解

天炉座矮星系贫金属星元素丰度分解

作者：杨彰一鸣河北科技大学

学位级别：硕士

本文通过对观测数据的拟合计算分解了天炉座矮椭球星系3个球状星团中贫金属星的元素丰度。作为对比,我们分别分解了球状星团NGC 5824的贫金属星和网罟座Ⅱ中的r-过程贫金属星的丰度。天炉座矮星系球状星团中贫金属星的元素丰度分解为主... 详细信息

本文通过对观测数据的拟合计算分解了天炉座矮椭球星系3个球状星团中贫金属星的元素丰度。作为对比,我们分别分解了球状星团NGC 5824的贫金属星和网罟座Ⅱ中的r-过程贫金属星的丰度。天炉座矮星系球状星团中贫金属星的元素丰度分解为主要r-过程分量、弱r-过程分量和p-分量三个分量,球状星团NGC 5824中大部分贫金属星的元素丰度可以分解为主要r-过程分量、弱r-过程分量和p-分量,其中有两颗星中有主要s-过程分量丰度。网罟座Ⅱ中贫金属星分解为主要r-过程分量、弱r-过程分量和p-分量三个分量。对于天炉座矮椭球星系球状星团C11、C12,在同一个球状星团中恒星的相应的分量系数相差不大,可以看出星与星之间各分量的贡献很接近,同一星团内恒星元素应该没有受到星团内部元素增丰的污染。C13的3颗星的丰度分布有一些差异。超大质量星对NGC 5824的贡献比对天炉座球状星团的贡献要大,这说明在星系形成早期超大质量星对银河系球状星团的相对贡献比对天炉座矮星系球状星团要高。主要r-过程对网罟座Ⅱ的贡献明显高于对天炉座星团的贡献。

关键词：矮星系球状星团元素丰度快中子俘获过程