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Microscopic radiative strength functions and fission barriers for r-process nucleosynthesis

Loens, Hans Peter :
Microscopic radiative strength functions and fission barriers for r-process nucleosynthesis.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Microscopic radiative strength functions and fission barriers for r-process nucleosynthesis
Language: English
Abstract:

Nuclear astrophysics aims to answer the fundamental question of the origins of the elements in the universe, and relatedly to address the role of nuclear reactions as engines of stellar evolution, dynamics, and explosion. Nuclear astrophysics is thus a true interdisciplinary field combining astrophysics with nuclear physics. In this thesis we focus on the r-process, which is considered to form about half of the elements with nucleon numbers A>70. In order to perform simulations of the r-process, different astrophysical and nuclear physics input is needed. One of the crucial inputs on the nuclear physics side are cross sections for radiative neutron capture and induced fission reactions. Most of the r-process isotopes are very neutron-rich and could not yet be produced experimentally. Therefore we have to employ theoretical predictions for the cross sections. These cross sections are generally calculated with the Hauser-Feshbach model. To employ the statistical model to the determination of radiative capture reactions, one needs radiative strength functions. Generally E1 and M1 transitions dominate in r-process reactions. The strength functions are needed on a global scale and one has used a Lorentzian parametrisation for the strength functions motivated by the success of describing the electric giant dipole resonance by such a form. This turned out to be successful for nuclei close to stability. However, it has been observed that neutron-rich nuclei show enhanced E1 strength at energies far below the giant resonance, which is not correctly described by the Lorentzian ansatz. We will study the influence of such low-lying strength on cross sections relevant for r-process nucleosynthesis. Moreover, the Hauser-Feshbach model needs the strength functions also for excited states. Here one usually makes the bold approximation that the strength for all excited states is the same as for the ground state. This assumption goes with the name of Brink’s hypothesis. It was originally formulated for giant collective resonances and has been verified experimentally for these collective modes. It is an open question if it is also valid for the aforementioned additional strength. In this thesis we utilise two microscopic nuclear structure models to obtain the strength functions for selected nuclei. For the electric dipole strength function we adopt the relativistic-quasi-time-blocking approximation (RQTBA) and for the magnetic dipole strength the nuclear shell model. We calculated radiative neutron capture cross sections with the Hauser-Feshbach model using the results of the RQTBA model for chains of tin and nickel isotopes. The results show that additional low-energy strength from a pygmy resonance can affect the radiative neutron capture cross section. However, the impact of such low-lying E1 strength on radiative neutron capture cross sections turns up to be very sensitive to the interplay of the neutron separation energy and the nuclear level density. Generally, the RQTBA strength functions predict smaller radiative neutron capture cross sections than those obtained from a Lorentzian parametrisation. In a second approach, we calculated magnetic dipole strength functions from the interacting shell model for iron nuclei. The shell model allows us to obtain the strength functions also for excited states, thus enabling us to discuss Brink’s hypothesis for the M1 strength function. This hypothesis is theoretically confirmed by our results for the large collective spin-flip resonance. However, the hypothesis fails for the low-energy strength, in particular the scissors mode. We find noticeable differences to cross section calculations where often used parametrisations of the M1 strength are employed, indicating that an improved description of M1 strength functions is needed. The r-process can also reach the region of the nuclear chart, where fission becomes important. Hence, the various fission processes must be included in r-process simulations. To describe such processes, fission barriers are essential. We calculated fission barriers for even-even nuclei within the Skyrme-Hartree-functional and the role of reflection asymmetric shapes in nuclei. The results show a strong dependence on the used Skyrme functional regarding the barrier heights. Hence we expect noticeable differences in the rates of the various fission processes, if calculated with the different fission barriers. This will in turn affect r-process network simulations as fission can interrupt the r-process flow and move matter from the actinide or super-heavy regions to intermediate mass regions. Fock-BCS model. A particular focus is put on the sensitivity of these quantities to the used Skyrme functional and the role of reflection asymmetric shapes in nuclei. The results show a strong dependence on the used Skyrme functional regarding the barrier heights. Hence we expect noticeable differences in the rates of the various fission processes, if calculated with the different fission barriers. This will in turn affect r-process network simulations as fission can interrupt the r-process flow and move matter from the actinide or super-heavy regions to intermediate mass regions. Therefore also the formation of long-lived super-heavy elements in the r-process is very sensitive to the interaction used to calculate the fission barriers.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Nukleare Astrophysik hat zum Ziel die fundamentale Frage nach dem Ursprung der Elemente in unserem Universum zu klären und dabei auch die Rolle von Kernreaktionen in der Entwicklung von Sternen und in Sternexplosionen zu verdeutlichen. Aufgrund der engen Verknüpfung von Astrophysik und Kernphysik in der Nuklearen Astrophysik kann diese als ein interdisziplinäres Feld angesehen werden. In dieser Doktorarbeit beschäftigen wir uns mit dem r-Prozess, von dem man annimmt, dass er etwa die Hälfte aller Elemente mit Massenzahl A>70 erzeugt. Es sind verschiedenste astrophysikalische und kernphysikalische Größen nötig um diesen Prozess erfolgreich simulieren zu können. Zwei aus kernphysikalischer Sicht sehr wichtige Größen sind dabei Wirkungsquerschnitte für Neutroneneinfang und induzierte Spaltprozesse. Die meisten der im r-Prozess relevanten Isotope sind sehr neutronenreich und konnten bisher experimentell noch nicht hergestellt werden. Aus diesem Grund muss man auf theoretische Vorhersagen zurückgreifen um besagte Wirkungsquerschnitte zu beschreiben. Die Standardmethode zur Berechnung von Wirkungsquerschnitten für den r-Prozess ist der Hauser-Feshbach-Formalismus. Dieses statistische Modell benötigt Stärkefunktionen zur Beschreibung der Photonenübergänge in den Wirkungsquerschnitten. Im Allgemeinen geht man dabei davon aus, dass E1 und M1 Überänge dominieren. Die Stärkefunktionen müssen in großer Anzahl für jeden relevanten Kern berechenbar sein, weswegen man dabei in der Regel auf die Beschreibung dieser Funktionen durch Lorentzfunktionen, die an die Dipol-Riesenresonanz angepasst sind, zurückgreift. Diese Beschreibung erweist sich als sehr erfolgreich bei stabilen Kernen. Allerdings wurde in neutronenreichen Kernen zusätzliche Stärke in Photonenübergängen weit unterhalb der Riesenresonanz gemessen, die nicht durch eine Lorentzfunktionen beschrieben werden kann. In dieser Arbeit werden wir den Einfluss solcher niederenergetischer Stärke auf die Strahlungsüberänge in Neutronen-Einfangsreaktionen, die im r-Prozess eine Rolle spielen, untersuchen. Das Hauser-Feshbach Modell beschreibt auch Strahlungsüberänge zwischen angeregten Zuständen, so dass die Stärkefunktion für dieser Überänge auch für angeregte Zustände bekannt sein muss. Hierbei nutzt man meist die gewagte Hypothese, dass die Stärkefunktionen für die Photonenübergänge aller angeregten Zustände durch die Stärkefunktion des Grundzustandes approximiert werden kann. Diese Approximation nennt man Brinks Hypothese. Ihre ursprüngliche Formulierung betraf ausschließlich kollektive Riesenresonanzen und ihre Gültigkeit bezüglich dieser Resonanzen wurde experimentell bestätigt. Es ist jedoch eine offene Frage, ob diese Hypothese auch auf die vorhergehend diskutierte niederenergetische Stärke anwendbar ist. In dieser Arbeit nutzen wir zwei mikroskopische Kernstrukturmodelle, um die Stärke-Funktion für bestimmte Kerne zu berechnen. Für die Beschreibung der elektrischen Dipolüber¨gange verwenden wir die “relativistic-time-blocking-approximation” (RQTBA) und für die Beschreibung der magnetischen Dipolüber¨gange verwenden wir das Schalenmodell. Mit Hilfe des Hauser-Feshbach-Modells haben wir Wirkungsquerschnitte für Neutroneneinfänge mit Hilfe des RQTBA Modells für verschiedene Zinn und Nickel Isotope berechnet. Unsere Resultate zeigen, dass besagte niederenergetische Stärke einen Einfluss auf den Wirkungsquerschnitt hat, der jedoch empfindlich von dem Zusammenspiel zwischen der Neutronenschwelle und der Zustandsdichte abhängt. Die Verwendung des RQTBA-Modells ergibt im Allgemeinen geringere Wirkungsquerschnitte im Vergleich zu den Wirkungsquerschnitten, die mit Hilfe der Lorentzfunktion berechnet wurden. In einem zweiten Ansatz haben wir die magnetische Dipol Stärke-Funktion von Eisen-Isotopen mit Hilfe des Schalenmodells berechnet. Das Schalenmodell ermöglicht es uns, die Stärke-Funktionen von angeregten Zustände zu beschreiben, so dass wir Brinks Hypothese bezüglich der M1 Übergänge untersuchen können. Unsere Resultate bestätigen die Gültigkeit dieser Hypothese in Bezug auf die kollektive spin-flip Riesenresonanz. Jedoch versagt die Hypothese bezüglich der niederenergetischen Stärke, insbesondere bezüglich der “scissors mode”. Unsere Resultate zeigen deutliche Unterschiede zu Berechnungen in denen weit verbreitete Parametrisierung der M1 Stärke verwendet wurden. Daraus folgern wir, dass eine verbesserte Beschreibung der M1 Übergänge notwendig ist. Der r-Prozess kann auch die Region auf der Nuklidkarte erreichen, in der Spaltung auftreten kann. Aus diesem Grund müssen verschiedenste Spaltungsprozesse in r-Prozess Simulationen berücksichtigt werden. Die Spaltbarriere bildet hierbei eine fundamentale Größe bei der Beschreibung von Spaltprozessen. Wir haben diese Spaltbarrieren für gerade-gerade Kerne im Rahmen des Skyrme-Hartree-Fock-BCS Modells berechnet. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk auf den Einfluss des verwendeten Skyrme Funktionals auf die Barriere und auf reflektionsasymmetrische Kernformen gelegt. Die Resultate zeigen eine starke Abhängigkeit der Spaltbarrieren von dem verwendeten Skyrme Funktional. Deshalb erwarten wir deutliche Unterschiede zwischen den Raten der verschiedenen Spaltprozesse, wenn unterschiedliche Skyrme Funktionale verwendet werden. Dies kann wiederum die r-Prozess Simulationen betreffen, denn Spaltprozesse können den Fluss des r-Prozesses unterbrechen und synthetisierte Materie aus dem Bereich der Aktiniden oder der superschweren Elemente in niedrigere Massenbereiche befördern. Aus diesem Grund hängt die Formation von langlebigen superschweren Elementen im r-Prozess stark von der in der theoretischen Beschreibung der Spaltbarrieren verwendeten Wechselwirkung ab.German
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Kernphysik
Date Deposited: 11 Aug 2011 12:42
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-26957
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Langanke, Prof. Dr. K. and Enders, Prof. Dr. J.
Refereed: 24 February 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2695
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