研究奇特核结构对宇宙重元素产生的影响

Half of the elements heavier than iron are thought to be produced by rapid neutron capture reactions in the so called r-process, which involves five thousands of reactions and thousands of neutron-rich unstable nuclei. Neutron capture reaction rates on those exotic nuclei determine elements abundances because they are crucial inputs of large scale network equations simulation for the core collapse supernovae explosion. To better understand how heavier elements are produced by r-process, we need significantly improve neutron capture cross sections. Three mechanisms, i.e. direct capture (DC), resonant capture (RC) and compound nucleus (CN) contribution by statistical model are respectively considered. Improved optical model potentials, crucial inputs for DC and CN, will be constructed by folding the density-dependent nucleon-nucleon interaction with radial matter densities of target nuclei obtained from deformed relativistic-mean-field (DRMF) theory. Structure information of the exotic nuclei, such as levels, density distributions and spectroscopic factors are extracted from the above covariant density functional microscopic theory. Pairing interactions are constrained by the microscopic theory for asymmetric nuclear matter. Abundances sensitivities to the cross sections were previously studied with large scale network calculations to determine the key nuclei and reactions. Finally, we will simulate nucleosynthesis with precise inputs of neutron capture reaction rates for important astrophysical environments.

比铁重的一半以上元素被认为通过快中子俘获反应（r过程）得到。r过程涉及五千多个核反应和上千个丰中子不稳定核。中子俘获反应率决定元素丰度，是人类探索超新星爆炸模拟平台的重要输入。为更好理解宇宙中的重元素是如何通过 r过程产生，我们需要改进中子俘获截面。分别考虑直接俘获、共振俘获、统计模型给出的复合核反应三种机制，以得到不稳定核的中子俘获截面，降低反应率的不确定性。拟采用单折叠模型，将有效核子-核子相互作用结合形变的协变密度泛函理论给出的密度分布，继而得到直接俘获和复合核反应的关键输入——光学势；采用考虑形变的协变密度泛函微观理论，给出不稳定核素的一系列结构信息，包括能级结构、密度分布和谱因子等；用不对称核物质对关联的微观理论约束有限核对作用。通过研究元素丰度对反应截面的敏感性，在进行大规模网络方程计算前，给出主要反应道，以大大减少计算量；在特定天体环境下求解网络方程，模拟r过程产生重元素路径

比铁重的一半以上元素被认为通过快中子俘获反应（r过程）得到的，同时也有人认为是由慢中子俘获反应（s过程）得到的。围绕“奇特核结构对宇宙重元素产生的影响”，开展系列工作：.（1）16O是大质量恒星弱s过程产生重元素的重要中子吸收剂，研究表明：除直接俘获、共振俘获，必须考虑其干涉项，才能再现实验测得的中子俘获截面；共振截面Breit-Wigner公式中子衰变宽度必须随能量变化，否则低能区截面异常，同时比较WKB近似同渐进解两种方法得到穿透因子的差别；得到随着温度的升高，低能共振态对麦克斯韦平均截面的贡献逐渐变大，同直接俘获的贡献相当的重要结论。基于上述探索，最终将大质量恒星演化弱s过程元素丰度的不确定度约束在5%以内。.（2）在重元素r过程合成路径上有一些滴线核，具有奇特晕现象。我们采用考虑对关联和共振连续谱的球形协变密度泛函微观理论，给出奇特核一系列结构信息，并结合反应的Glauber模型，考察氖同位素打碳靶反应实验可观测量，得到31Ne是晕核的重要反应证据。首次指出前人用高斯函数组拟合价核子波函数所得结果具有明显偏差，被JPG2022选为封面文章；进一步考虑形变效应，发现结果明显改善。另在非相对论平均场框架下寻找晕核反应证据，发现对关联的重要性。采用从核物质对关联的微观理论约束得到的有限核对作用，描述奇特核；发现随着原子序数增加，我们的对作用明显优于其他对作用。还通过先投影后变分的“固定粒子数的BCS方法”恢复了粒子数对称性；并在相对论平均场框架下通过外加一项唯象的质子-中子对能项，再现实验上具有抛物线结构的同位素链电荷半径。.（3）鉴于低能共振态在核合成中的重要作用，新开发统一求解束缚态和共振态的复动量表象方法，并提高计算精度。首次得到符合实验测量的17O低能共振态2p3/2共振能量；用于描述双中子晕核29F的能级结构，不但再现Hamamoto用散射相移法得到的共振能级，还找到了她无法得到的2p3/2态的共振能量。.（4）单折叠模型得到光学势实部，虚部需要基于有效场论进行考虑。