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Nucleosynthesis on the aftermath of neutron star mergers: The creation of the first r-process peak

Nikas, Stylianos (2021):
Nucleosynthesis on the aftermath of neutron star mergers: The creation of the first r-process peak. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019937,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Nucleosynthesis on the aftermath of neutron star mergers: The creation of the first r-process peak
Language: English
Abstract:

The rapid neutron capture nucleosynthesis (r-process) is responsible for producing about half of the solar abundances of heavy elements. The site of the r-process was unknown until recent observations. The identification of the kilonova in the aftermath of GW170817 established binary neutron star mergers (BNS) as a site for the r-process. The early blue color of the emission indicates the production of light, lanthanide-free, elements and can be linked to a "weak" r-process nucleosynthesis scenario. We explored nucleosynthesis under a broad set of entropy and electron fraction conditions using GSINet. We concluded that with conditions realized in BNS, an abundance pattern resembling the first r-process peak could be created, accompanied by a peak at A ≈ 50. The origin of the peak at A ≈ 50 was found to be material that could not escape the Z = 20 closed protons shell. More specifically, we found that in the absence of α-particles, the isotopes of Ca with A = 54 − 58 were the critical isotopes regulating the flow towards higher A for low entropy (S ≈ 15 kb/baryon) and moderate electron fraction (0.35 ≤ Ye ≤ 0.40) conditions. We investigated the impact of nuclear properties (namely masses, β-decays, β-delayed neutron emissions) on the production of the first r-process peak under these conditions. To quantify the impact of nuclear masses on the final abundance pattern, we studied the impact of nuclear mass on calculations of (n, γ) reaction rates. We calculated sets of reaction rates corresponding to the mass uncertainty bands. We assumed the true mass to lie between the central AME16 value and its uncertainty. For unknown masses, the FRDM mass model was used with a 1 MeV uncertainty. Using the TALYS nuclear reaction code, we performed large-scale calculations of reaction rates corresponding to the region responsible for creating the first r-process peak. The calculated reaction rates were then used in GSINet to calculate abundances. The impact of each modified mass on the abundance pattern was evaluated. We found that 55,56,57,58Sc,77Ni, and 83Zn are the nuclei with the most significant impact on the abundance pattern. Furthermore, the impact of mass uncertainties on radioactive heating was evaluated. We identified and presented the nuclei responsible for the heating production. We concluded that current uncertainties in mass values could lead to uncertainties in heating up to a factor of two. We observed that the shape of the abundance pattern does not drastically change under changes in mass values. Masses were found to impact the peak local structure. A specific study of the impact of the masses of 84,85Ga to the local maximum at A = 84 was presented. Finally, we evaluated the impact of β-decays, finding no significant variations on the final abundance pattern.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die schnelle Neutroneneinfang-Nukleosynthese (r-Prozess) ist für die Produktion von etwa der Hälfte der schweren Elemente des Sonnenreichtums verantwortlich. Der Ort des r-Prozesses war bis zu jüngsten Beobachtungen unbekannt. Die Identifizierung der Kilonova nach GW170817 etablierte das BNS als Ort des r-Prozesses. Die ursprüngliche blaue Farbe der Emission zeigt die Produktion von leichten, lanthanoid-freien Elementen an und kann mit einem "schwachen" r-Prozess-Nukleosyntheseszenario in Verbindung gebracht werden. Wir untersuchten die Nukleosynthese unter einem breiten Set von Entropie- und Elektronenfraktionsbedin- gungen unter Verwendung von emph GSINet. Wir kamen zur Schlussfolgerung, dass - mit in BNS realisierten Bedingungen- ein Häufigkeitsmuster erzeugt werden kann, das den ersten r-Prozess-Peak wieder zusam- mensetzt, begleitet von einem Peak bei A ≈ 50. Es wurde festgestellt, dass der Ursprung des Peaks bei A ≈ 50 Materie ist, die der geschlossenen Protonenschale Z = 20 nicht entkommen konnte. Insbesondere haben wir herausgefunden, dass in Abwesenheit von α -Partikeln die Isotopen von Ca mit A = 54 − 58 die kritischen Isotope waren, die den Fluss zu höherem A für niedrige Entropie(S ∼ 15) kb/baryon) und moderate Bedingungen der Elektronenfraktion (0.35 ≤ Ye ≤ 0.40)regulierten. Wir untersuchten den Einfluss nuklearer Eigenschaften (nämlich Massen, β -Zerfälle, β -verzögerte Neutronen- emissionen) auf die Erzeugung des ersten r-Prozess-Peaks unter diesen Bedingungen. Um den Einfluss der Kernmassen auf das endgültige Häufigkeitsmuster zu quantifizieren, haben wir den Einfluss der Kernmasse auf die Berechnung der (n, γ) -Reaktionsraten untersucht. Wir haben Gruppen von Reaktionsraten berechnet, die den Massenunsicherheitsbändern entsprechen. Wir haben angenommen, dass die wahre Masse zwischen dem zentralen AME16-Wert und seiner Unsicherheit liegt. Für unbekannte Massen wurde das FRDM-Massenmodell mit einer 1 MeV-Unsicherheit verwendet. Unter Verwendung des TALYS-Kernreaktionscodes führten wir im großen Rahmen Berechnungen der Reaktionsraten durch, die der Region entsprechen, die für die Erzeugung des ersten r-Prozess-Peaks verantwortlich ist. Die berechneten Reaktionsraten wurden dann in GSINet verwen- det, um die Häufigkeit zu berechnen. Der Einfluss jeder modifizierten Masse auf das Häufigkeitsmuster wurde bewertet. Wir fanden heraus, dass 55,56,57,58Sc, 77Ni und 83Zn die Kerne sind, die den größten Einfluss auf das Häufigkeitsmuster haben. Zusätzlich wurde der Einfluss der Massenunsicherheiten auf die radioaktive Erwärmung bewertet. Wir identifizierten und präsentierten die Kerne, die für die Erwärmungsproduktion verantwortlich sind. Wir kamen zur Schlussfolgerung, dass aktuelle Unsicherheiten bei den Massenwerten zu Unsicherheiten bei der Erwärmung bis zu einem Faktor von zwei führen können. Wir haben beobachtet, dass sich die Form des Häufigkeitsmusters bei Änderungen der Massenwerte nicht drastisch ändert. Es wurde festgestellt, dass Massen die lokale Peak Struktur beeinflussen. Eine spezifische Studie über den Einfluss der Massen von 84,85Ga auf das lokale Maximum bei A = 84 wurde vorgestellt. Zum Schluss haben wir die Auswirkungen von β -Zerfällen bewertet und keine signifikanten Abweichungen im endgültigen Häufigkeitsmuster festgestellt.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 111 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik
Date Deposited: 01 Dec 2021 13:31
Last Modified: 01 Dec 2021 13:32
DOI: 10.26083/tuprints-00019937
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-199372
Referees: Martínez-Pinedo, Prof. Dr. Gabriel ; Langanke, Prof. Dr. Karlheinz
Refereed: 9 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19937
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