超新星爆发vp过程中重要核反应10B(a,p)13C反应截面研究

The astrophysical origin of the proton-rich isotopes of heavy elements (p-nuclei) is not fully understood. The most successful model to date, the photodissociation of pre-existing neutron-rich isotopes (gamma-process) in the oxygen–neon layer of core-collapse supernovae (or in their pre-collapse stages), cannot explain the production of some light p-nuclei including 92,94Mo and 96,98Ru. The recent discovery of a new nucleosynthetic process, the vp-process, has dramatically changed this difficult situation. In the early neutrino-driven winds of core-collapse supernovae, anti-electron-neutrino capture on free protons gives rise to a tiny amount of free neutrons in the proton-rich matter. These neutrons induce the (n, p) reactions on the beta-waiting point nuclei (64Ge, 68Se, and 72Kr) along the classical rp-process path, which bypass these nuclei. The theoretical works show that the p-nuclei up to A~110, including 92,94Mo and 96,98Ru, can be produced by the vp-process in the neutrino-driven winds within reasonable ranges of the model parameters. However, different theoretical works end up with somewhat different outcomes. These diverse outcomes indicate that the vp-process is highly sensitive to the physical conditions of neutrino-driven winds. Besides the supernova conditions, there could also be uncertainties in some key nuclear rates, in particular of (n,p) reactions, because no attention was paid to neutron-capture reactions on proton-rich nuclei before the discovery of the vp-process. Uncertainties in some reactions relevant to the breakout from the p–p chain region (A<12), which affect the proton-to-seed ratio at the onset of vp-processing, might also influence the nucleosynthetic outcomes. Thereinto, thermonuclear rate of the 10B(alpha,p)13C reaction is very sensitive to the calculated mass fraction and abundances of isotopes relative to their solar values for nuclei within A=100~120. Because the cross section data for this importance reaction are not experimentally available at the low-energy Gamow window, the current astrophysical models still adopt the very old reaction rate (estimated about 50 years ago). This project aims at directly measuring the total cross section of 10B(alpha,p)13C at low-energy region of astrophysically interested (alpha-beam energy region of 0.46~3.8 MeV), and subsequently obtaining the solid experimental data for the reaction rate calculation. The results can help people to deeply understand the vp-process in the supernovae, and to elucidate the role of this process as the astrophysical origin of the p-nuclei, especially, on the production of the nuclei at A=100~120.

目前，人们对宇宙中p核的天体物理起源还没有完全理解，特别是较轻p核92,94Mo和96,98Ru的产生机制还存在很大分歧。为了解释这些p核的产生，理论天体物理学家提出了发生在壳塌缩超新星早期中微子驱动的星风中存在一种新的核合成过程，即vp过程（或者叫中微子诱发的快质子俘获rp过程）。这一核合成模型对于天体物理条件和核物理输入量的不确定性都很敏感。其中，10B(alpha,p)13C反应率对计算重核区质量比以及相对太阳系丰度比较灵敏。目前，由于缺乏该反应在低能伽莫夫能区的实验截面数据，理论模型仍然应用大约50年前估算的反应率。本项目将在低能伽莫夫能区（alpha束流能量范围为0.46~3.80 MeV）对10B(alpha,p)13C的反应总截面进行实验测量，从而得到可靠的反应率数据。这将使人们能够更深入认识超新星爆发过程、最终核素丰度分布，特别是宇宙中p核的起源等重要科学问题。

目前，人们对宇宙中35个p核的天体物理起源还没有完全理解，特别是较轻p核92,94Mo和96,98Ru的产生机制还存在很大分歧。为了解释这些p核的产生，理论天体物理学家提出了发生在壳塌缩超新星早期中微子驱动的星风中存在一种新的核合成过程，即vp过程（或者叫中微子诱发的快质子俘获rp过程）。这一核合成模型对于天体物理条件和核物理输入量的不确定性都很敏感。其中，10B(a,p)13C反应率对超新星模型计算重核（包括p核）的丰度比较灵敏。目前，由于缺乏该反应在低能区的实验截面数据，理论模型仍然使用大约50年前简单估算的反应率数据。本项目的主要研究内容是：1）对10B(a,p)13C反应的截面和角分布进行测量研究；2）对已有文献中数据进行细致的评估，得到可靠的反应率数据；3）利用超新星模型对10B(a,p)13C的反应率的天体物理影响进行理论模拟和计算。从而使我们能够更深入地认识超新星爆发过程、最终核素丰度分布，特别是宇宙中p核的起源等重要科学问题；4）项目还进行了其他理论方面的计算工作，因为项目团队里包括一名从事理论计算方面的研究人员。重要结果和科学意义：本项目完成了基于对已有10B(a,p)13C反应的所有实验数据的数据分析和评估工作，给出了该反应的最新反应总截面以及最新的天体物理反应率。与之前结果比较，我们给出的误差小很多，并且我们新的反应率与之前的比较大约有2倍甚至更大的差别。我们的评估是基于可靠的实验数据基础之上的，因此更为可靠。推荐在以后的核天体物理核合成网络计算时，使用我们新的反应率。我们与日本理论天体物理学家S. Wanajo教授合作，利用我们新的反应率数据，对超新星vp过程p核的丰度进行了理论计算。预言130质量区p核丰度比之前大3倍左右，并且提供了对天体物理模型更严格的限制。文章发表在国外著名天体物理杂志APJ上。除此之外，在实验方面，我们团队还基于兰州320 kV高压平台建造了新的核天体物理实验终端，并完成了若干实验，在1篇国内核心期刊上进行了综述；在理论方面，我们对宇宙大爆炸原初锂丰度疑难问题以及天体X射线暴中核反应46Cr(p,g)47Mn的反应率进行了理论计算并研究了其天体物理影响，等等。特别是我们发表在APJ上关于锂丰度问题的理论文章得到了国内外同行的热烈关注，特别是，美国天文学会的亮点官网给予了点评报道，国内的央视新闻直播间也给予了报道。