Dy同位素的(p,g)反应截面测量与p-原子核156Dy、158Dy和164Er的核合成机制研究

How the heavy elements from iron to uranium were made is considered to be one of the 11 greatest unanswered questions of physics in the new century. It is generally believed that about 99% of the heavy elements are produced during s- and r-processes. However, a small number of naturally occurring, proton-rich nuclides, so called p-nuclei, cannot be made through these neutron-capture processes. Their origin is not well understood. The reaction rates in the modeling of their nucleosynthesis, which includes thousands of reactions on mainly unstable nuclei, are generally calculated within the scope of the Hauser-Feshbach statistical model. In order to obtain reliable model predictions, it is important to put nuclear physics input parameters, such as nuclear level density, particle+nucleus optical model potentials, and so on, entering these calculations, based on experimental data at astrophysical relevant energies, which are generally scarce. In this project, an experimental platform, including an irradiation target chamber, an in-beam gamma ray energy-summing array and a low background measurement chamber of activation decay, dedicated to the measurements of proton radiative capture, will be established at the tandem accelerator in Peking University, collaborating with the nuclear physics laboratory in Beihang University. Based on this research platform, a series of measurements on the total cross-section of proton radiative capture reactions on Dy isotopes at low proton energies will be carried out. As a result, this project will provide an important input to constrain the theoretical nucleosynthesis prediction of p-nuclei 156,158Dy and 164Er, since no experimental data are available up to now for proton-capture reaction in this mass region around A~160.

铁以上的中等质量和重质量元素的起源一直是天文学和天体物理学的一个重要问题。其中，丰度极低的p-原子核的产生环境、核合成机制仍很不清楚，与其相关的核反应数据也非常缺乏，是当前天体物理核合成研究的重要热点问题之一。本项目选择p-原子核156Dy、158Dy和164Er为物理研究目标核，Dy同位素的(p,g)反应为主要研究内容。将利用北京大学的串列加速器上提供的低能质子束流，结合北京航空航天大学的探测器与数据获取等条件，组建由实验靶室、活化离线伽玛射线低本底测量室、在束伽玛射线能量求和探测器阵列组成的质子辐射俘获实验平台。利用该平台，在对应天体物理反应能区，采用活化特征伽玛射线测量和在束伽玛射线能量求和测量等技术，进行Dy同位素链的质子辐射俘获截面测量。提取这一核区对应天体物理能量下的核参数和天体物理反应率，探究A=160核区p-原子核合成的核物理机制，给出创新性的研究成果。

铁以上的中等质量和重质量元素的起源一直是天体物理学的一个重要科学问题。其中，丰度极低的p-原子核的产生环境、核合成机制仍很不清楚，与其相关的核反应数据也非常缺乏，是当前天体物理核合成研究的重要热点问题之一。本项目以A~160核区的p-原子核为研究目标，利用国内现有加速器条件，采用质子俘获活化特征伽玛射线测量技术，进行Dy同位素链在天体物理能区的质子俘获反应截面测量。.按照项目研究计划，完成了全部研究内容，主要研究成果如下：1）建立了重元素低能质子辐射俘获反应的研究方法和技术、实验测量平台。包括在中国原子能科学研究院计量站与HI-13串列加速器、北京航空航天大学分别建立了低本底伽玛射线测量室，设计加工了具备实时记录功能的束流在线监测靶室，研发了带时间标签的数据获取系统以及含束流通量与死时间修正的截面提取方法。2）研发了一套处理γ射线效率刻度中加和效应的修正方法，包括测量场景模拟与加和效应对效率刻度的影响等。3）建立了质子俘获反应截面离线伽玛测量标定与检验实验方法。通过实验测量9.2MeV 63Cu（p,n）63Zn、197Au（p,n）197mHg的反应截面，数据与IAEA编评数据符合很好，证明了本项目建立的活化测量系统及数据处理方法的可靠性。4）获得了Dy部分同位素的质子俘获反应截面，包括3.4~7MeV能区160Dy(p,γ)反应与160Dy(p,n）反应的激发曲线，以及在3.4~7MeV能区七个能量点下Dy天然丰度靶俘获质子产生162mHo、162gHo和164Ho的反应截面。上述研究成果对约束这一核区对应天体物理能量下的核参数，提取天体物理反应率，进而探究A=160核区p-原子核合成的核物理机制，具有重要的物理意义。这方面的实验研究在国内是首次开展，建立的实验技术及方法，为今后系统开展p-原子核的质子俘获反应测量具有重要的参考价值。项目执行期间共合作发表SCI论文16篇，其中标注论文6篇，非标注论文10篇。