天体快中子俘获过程路径上的原子核β衰变寿命的研究

The origin of heavy elements in the universe is an interesting topic in nuclear physics and astrophysics, the rapid neutron-capture process (r-process) is responsible for the production of about half of the elements heavier than iron. The rapid neutron-capture process (r-process) is closely related to the properties of extremely unstable nuclei, nuclear β-decay half-life is one of the key nuclear physics inputs of r-process. Since most of nuclei relevant for the r-process are still out of experimental reach, the theoretical predictions are inevitable for the studies of the r-process. Base on the research basis of the applicant in nucleosynthesis, nuclear β-decay half-lives, covariant density functional theory, and random phase approximation, employing one of the most successful theories in nuclear physics--the covariant density functional theory, including the pairing correlation using Bogoliubov transformation, considering the deformation effects, this project aim to develop the proton-neutron quasiparticle random phase approximation approach, investigate the beta-decay half-lives of nuclei on the r-process path, providing the reliable nuclear physics inputs for the studies on the origin of heavy elements in the universe.

宇宙中重元素的起源是核物理与天体物理共同感兴趣的课题，其中快中子俘获过程（r-过程）负责产生一半左右的超铁元素。r-过程与极端不稳定原子核的性质紧密相关，其中β衰变寿命是r-过程的关键核物理输入量之一。由于r-过程路径上大多数原子核的性质仍无法从实验测得，因此需要依赖理论模型。本项目拟基于申请人在天体核合成、原子核β衰变寿命、协变密度泛函理论、无规相位近似等方面的工作基础，采用目前核物理中最为成功的理论之一——协变密度泛函理论，通过Bogoliubov变换处理对关联，考虑形变效应，发展超越平均场的质子-中子准粒子无规相位近似方法，研究天体r-过程路径上原子核的β衰变寿命性质，为了解宇宙中重元素起源提供可靠的核物理输入量。

宇宙中重元素的起源是重要的基础科学课题，其中快中子俘获过程（r-过程）负责产生一半左右的超铁元素。r-过程涉及大量不稳定原子核的性质，其中β衰变寿命是r-过程的关键核物理输入量之一。由于r-过程路径上大多数原子核的性质仍无法从实验测得，因此亟需理论预言。本项目的核心工作是研究r-过程路径上原子核的β衰变寿命及其对r-过程模拟的影响。针对这一课题，项目在发展原子核β衰变寿命的理论模型、系统计算原子核的β衰变寿命以及研究其对r-过程模拟的影响等方面，取得如下创新成果：采用协变密度泛函理论，通过Bogoliubov变换处理对关联，考虑形变效应，发展了形变相对论Hartree-Bogoliubov理论。基于原子核的基态性质，发展了几种原子核β衰变寿命的理论模型，包括贝叶斯机器学习方法、考虑相对论自旋—轨道劈裂的改进Gross理论以及自洽的准粒子无规相位近似方法。系统计算了原子核的质量和β衰变寿命，相比已有核模型，预言精度显著提升：对于原子核质量，精度达到了84 keV，对于小于1秒的β衰变寿命，精度约为0.2数量级。基于TALYS程序，系统计算了不同温度下r-过程相关原子核的中子俘获率。最后，进行r-过程模拟，系统研究了核物理输入量对r-过程丰度的影响。研究发现，由原子核质量模型导致的r-过程丰度的不确定性，主要通过中子俘获率的变化引起，而β衰变寿命不确定性的贡献则相对较小。然而，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系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，机器学习方法还被用来研究了原子核的低激发谱、原子核磁矩以及巨偶极共振参数等原子核性质。