天体环境中原子核的弱相互作用过程研究

Nuclear weak-interaction processes play important roles in astrophysics. Electron capture and β decay determine the dynamics of core-collapse supernovae, while the β-decay half-lives set the time scale of the rapid neutron-capture process (r-process), and determine the abundances of heavy elements beyond iron in the universe. This project aims to develop the beyond mean-field approach at finite temperature and study the nuclear weak-interaction processes in stellar environment with it. The main contents will include the followings. Develop the self-consistent random-phase approximation with particle-vibration coupling at finite temperature based on Skyrme density functional to study the Gamow-Teller transitions in hot nuclei and analyze temperature effects to its width and distribution; study the electron capture in pre-supernova phase and β decay on the r-process path to investigate whether particle-vibration coupling will improve the description of electron-capture rates and β-decay half-lives; explore the influences of the predicted β-decay half-lives to r-process nucleonsynthesis through r-process calculation. By the study of this project, it is expected to improve the description of stellar nuclear weak-interaction processes, provide more reliable nuclear physics input for astrophysics, and hence help us to understand the supernova explosion and mechanisms of heavy-elements production in the universe.

原子核的弱相互作用过程在天体物理中起着关键作用。其中，电子俘获和β衰变决定着核塌缩型超新星爆发的动力学过程；β衰变寿命设定了快中子俘获过程(r-过程)的时标，并决定着宇宙中铁以上重元素的丰度分布。本项目拟发展有限温度下超越平均场的理论，并用其研究天体环境中原子核的弱相互作用过程。具体研究内容包括：基于Skyrme密度泛函发展有限温度下包含粒子振动耦合的自洽无规相位近似模型，研究热原子核的Gamow-Teller跃迁，分析温度效应对其共振宽度和跃迁分布的影响；研究超新星爆发早期的电子俘获和r-过程路径上的β衰变，考察粒子振动耦合效应能否改善对电子俘获率和β衰变寿命的描述；通过r-过程计算探讨该模型预言的β衰变寿命对r-过程的影响。通过本项目的研究，力求改善对天体环境中原子核弱相互作用过程的描述，为天体物理研究提供更为可靠的核物理输入量，从而加深对超新星爆发和宇宙中重元素合成机制的理解。

原子核的弱相互作用过程在天体物理中起着关键作用。其中，电子俘获和β衰变决定着核塌缩型超新星爆发的动力学过程；β衰变率设定了快过程核合成的时标,从而决定着宇宙中铁以上元素的丰度分布。因此，本项目的研究目标是实现对天体环境中原子核弱相互作用过程的超越平均场理论的描述，为天体物理中的重要研究课题如超新星爆发模拟和快过程核合成等提供更为可靠的核物理输入量。针对该研究目标，本项目取得了如下主要成果：（1）发展了有限温度的密度泛函理论和准粒子无规相位近似理论，研究了温度效应对原子核基态、集体振动激发以及重离子碰撞碎片对能的影响；（2）发展了自洽的包含粒子振动耦合效应的无规相位近似模型，研究了粒子振动耦合效应对原子核集体振动激发的影响；（3）发展了自洽的包含准粒子振动耦合效应的准粒子无规相位近似模型，实现了对超流原子核电荷交换道集体振动激发的超越平均场描述；（4）实现了超越平均场理论－即包含粒子振动耦合效应的无规相位近似模型－对原子核弱相互作用过程β衰变的描述，为快过程核合成提供了更为可靠的核物理输入量；（5）发展了奇偶径向基函数方法，进一步改善了对快过程核合成另一重要核物理输入量－原子核质量－的预言精度。在自然科学基金的支持下，本项目共发表SCI收录的期刊论文9篇和会议论文2篇，送审论文3篇，其中1篇发表于Physical Review Letters、6篇发表于Physical Review C、2篇发表于Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics。