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对宇宙元素起源的研究产生新见解

2021-08-06 09:15          伽马射线核物理

形成元素的缓慢中子俘获过程中的一个关键反应发生的频率比以前认为的要低。

科学

缓慢的中子俘获过程(s 过程)是发生在恒星中的核合成过程之一。它导致宇宙中大约一半的元素比铁重。s 过程中涉及的两个重要反应是氖22(α,γ)和氖22(α,中子)。在这些反应中,富含中子的氖22会捕获 α 粒子。捕获产生处于激发态的镁 26,这意味着它获得了额外的能量。然后它通过发射伽马射线释放能量,导致处于正常状态的镁 26,或中子,导致镁 25。氖22(α,γ)和 Neon-22(α,中子)反应的速率对 s 过程有显着影响。这会影响硒、氪、铷、锶和锆等元素的丰度。

氖 (22Ne) 的同位素捕获 α 粒子 (α) 以产生处于激发态的镁 26 (26Mg)。被激发的镁 26 然后通过发射伽马射线 (γ) 释放能量,导致镁 26 或中子,导致镁 25。图片来源:德州农工大学 Dustin Scriven

影响

科学家们试图回答这个问题,宇宙中元素的起源是什么?答案极其复杂。回答它需要许多领域的研究人员的共同努力和大量的实验数据。回答这个问题的一部分是了解产生比铁重的元素的具体过程。其中一些元素是通过恒星内部涉及中子俘获(s 过程)的特定核反应形成的。中子是不稳定的,需要不断产生才能为这一过程提供燃料。确定中子源反应的强度对于理解这种核合成场景很重要。

概括

两个反应对 s 过程中的中子通量有很大影响,氖22(α, γ) 镁26 和 氖22 (α, n)镁25。这些反应发生的概率很难直接测量,因为这些概率(称为反应截面)在与恒星核合成相关的能量下非常低。一组核物理学家使用两种间接方法来确定这两种反应的概率。这两种方法都使用了德克萨斯农工大学回旋加速器研究所生产的氖22光束。在一项研究中,该团队测量了镁26中最相关的激发态被 α 粒子衰变的可能性。另一个实验涉及对相同激发态的中子/伽马分支比的直接测量。结合这些研究,研究人员得出了一致的结论:氖22(α, n)镁 25反应发生的实际概率比广泛接受的概率低三倍。这一发现显着改变了某些元素的最终 s 过程丰度,例如硒、氪、铷、锶和锆。

参考

Jayatissa, H.,等。 使用亚库仑α转移反应约束氖22( α , γ ) 镁 26 和22 Ne( α ,n) 镁 25 反应速率。物理快报 B 802 , 135267 (2020) 。[DOI: 10.1016/j.physletb.2020.135267]

太田,S.等。 22 Ne + α共振的衰变特性及其对 s 过程核合成的影响。物理快报 B 802 , 135256 (2020) 。[DOI: 10.1016/j.physletb.2020.135256]

资金

这项研究得到了能源部 (DOE) 科学办公室、核物理办公室的支持;由国家核安全管理局通过核培训和大学研究卓越中心 (CENTAUR) 提供;和德克萨斯农工大学核解决方案研究所。其中两位作者也得到了韦尔奇基金会的支持。其中三位作者还得到了英国科学技术设施委员会的支持。



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