Novel approaches to investigate nuclear reactions for the astrophysical g-process  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
104664
Type PD
Principal investigator Kiss, Gábor
Title in Hungarian Az asztrofizikai gamma folyamat szempontjából releváns magreakciók vizsgálata új kísérleti módszerekkel
Title in English Novel approaches to investigate nuclear reactions for the astrophysical g-process
Keywords in Hungarian asztrofizikai gamma folyamat, karakterisztikus röntgen sugárzás hozamának mérése, rugalmas alfa szórás, közvetett mérési eljárások
Keywords in English astrophysical gamma process, characteristic X-ray counting, elastic alpha scattering, indirect methods
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Nuclear physics
Panel Physics 1
Department or equivalent Nuclear astrophysics research group (HUN-REN Institute for Nuclear Research)
Starting date 2012-09-01
Closing date 2014-11-30
Funding (in million HUF) 7.248
FTE (full time equivalent) 1.86
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A nehéz proton gazdag magok – az ú.n. p-magok – az asztrofizikai gamma-folyamatban keletkeznek. A gamma-folyamat szimulálása során nagyszámú reakciót vesznek figyelembe, a szükséges hatáskeresztmetszet adatokat a statisztikus modell szolgáltatja, mely globális alfa-mag optikai potenciál adatbázisokra támaszkodik. Pályázatom keretében a gamma-folyamat szempontjából fontos magreakciók kísérleti vizsgálatát fogom elvégezni:
A statisztikus modellel számolt fotobomlási hatáskeresztmetszetek ellenőrzését tervezem az inverz reakciók vizsgálatával. Az elmúlt években egy új mérési eljárást fejlesztettem ki alfa befogási reakciók hatáskeresztmetszeteinek mérésére a 140<A magtartományban. A pályázat keretében a 175Lu(a,g), 176Lu(a,n) és a 168Yb(a,g) reakciókat fogom vizsgálni az ATOMKI gyorsítóival, detektoraival a Kölni és a Báseli Egyetemmel együttműködésben.
A statisztikus modell bemenő paramétereként használt optikai potenciálok megbízhatósága alfa rugalmas szórási kísérletekkel ellenőrizhető – illetve a mért szögeloszlások a potenciálparaméterek pontosítását teszik lehetővé – a pályázat keretében a 113,115In(a,a) reakciókat illetve – a Kocaeli Egyetemmel együttműködésben – a 142Nd(a,a) reakciót tervezzük tanulmányozni az ATOMKI-ban.
A gamma-folyamat pontosabb megértéséhez a fotobomlási reakciókhoz rendelkezésre álló vasnál nehezebb magok gyakoriságának ismerete szükséges. Ezen magok neutronbefogással keletkeznek, az egyik meghatározó neutronforrás a 13C(a,n) reakció. Ezen reakció hatáskeresztmetszetét meghatározza egy, a reakció küszöb alatt található széles rezonancia melynek erőssége nem ismert. A „Trójai Faló” indirekt módszerrel e rezonancia erősségét mérem meg.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A vasnál nehezebb magok 99%-a neutronbefogás révén keletkezik. Az izotóptérkép protongazdag oldalán található azonban 35 izotóp – ú.n. p-mag – melyek neutronbefogással nem jöhetnek létre. Ismereteink szerint, ezen magok a pre-szupernóva állapotban illetve a szupernóva robbanás során a korábban termelődött magok fotobomlásával, az úgynevezett gamma-folyamat keretében keletkeznek.
A gamma-folyamat modellezését reakcióhálózat számításokkal végzik, melyek során körülbelül 2000 – többnyire instabil – magon lejátszódó 20000 reakciót vesznek figyelembe. A számításokhoz szükséges hatáskeresztmetszet adatokat a Hauser-Feshbach statisztikus modell szolgáltatja.
Az elmúlt évek erőfeszítései ellenére a gamma-folyamat az egyik legkevésbé megbízhatóan ismeret asztrofizikai folyamat melyet az a tény is jelez, hogy a szimulációk szolgáltatta p-mag gyakoriságok jelentősen eltérnek a Naprendszerbeli mért gyakoriságoktól. Ennek egyik oka a folyamat asztrofizikai környezetének nem megfelelő ismerete illetve a releváns magfizikai input adatok pontatlansága. Pályázatom célja megbízható gamma-folyamat szimulációkhoz szükséges pontos magfizikai adatok meghatározása. Vizsgálni tervezem a statisztikus modell jóslatainak pontosságát magreakció hatáskeresztmetszet mérésekkel. Rugalmas alfa szórás hatáskeresztmetszetek mérésével a statisztikus modell bemenő adataként használt optikai potenciálok meghatározását illetve a globális potenciál paraméterezések fejlesztését tervezem. Ezenkívül a 13C(a,n) reakció küszöbalatti rezonanciájának erősségét fogom meghatározni annak érdekében, hogy a gamma-folyamat asztrofizikai környezetének (s és r izotópok összetétele) leírását pontosabbá tegyem.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatás elsődleges célja nagypontosságú magfizikai adatok szolgáltatása egy megbízható asztrofizikai gamma-folyamat szimulációhoz. A tervezett kísérleteket döntő részben Magyarországon az ATOMKI gyorsító parkjával fogom kivitelezni a Kölni Egyetemmel, a Kocaeli Egyetemmel, a Bázeli Egyetemmel valamint az INFN LNS kutatóintézettel együttműködésben.
Alfa részecske indukált hatáskeresztmetszetek mérését tervezem a 140<A<200 magtartományban az ATOMKI-ban általam kifejlesztett új, röntgen hozam mérésre alapozott aktivációs eljárás alkalmazásával. A nagypontosságú mérési adatokat az elméleti számítások jóslataival tervezem összehasonlítani, illetve a kísérleti adatokból a reakciósebességeket fogom meghatározni csillaghőmérsékletnek megfelelő energiákon.
A globális alfa-mag optikai potenciálokat a magfizikai és asztrofizika számos területén használják magreakciók hatáskeresztmetszeteinek számolására. Az optikai potenciál paramétereit rugalmas alfa-részecske szóráskísérletekben lehet meghatározni. Mivel az asztrofizika számára fontos alacsony, Coulomb gát alatti energiákon kevés kísérleti szögeloszlás áll rendelkezésre, így a 113,115In(a,a) illetve 142Nd(a,a) reakciók vizsgálatát tervezem. Az új adatok alapján a széleskörűen használt globális optikai potenciál paraméterezések fejlesztése válik lehetővé.
A gamma-folyamat szimulálásához a neutronbefogás révén létrejött magok – melyek úgynevezett „seed” magként szolgálnak a fotobomlási reakciók számára – gyakoriságának pontos ismerete szükséges. Az egyik meghatározó neutronforrás ezen „seed” magok felépítéséhez a 13C(a,n) reakció, melyben a reakció küszöb alatt egy széles rezonancia található mely jelentősen befolyásolja a hatáskeresztmetszetet. E rezonancia erősségének meghatározása a célom a „Trójai Fa Ló” közvetett mérési eljárással. Ezen reakció vizsgálatán keresztül nemcsak a gamma-folyamat, hanem a nehéz magokat felépítő neutronbefogásos folyamatok jobb leírása is lehetővé válik várhatóan.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A kémiai elemek és izotópjaik különböző magfizikai folyamatok révén, csillagokban jönnek létre. Az egyik legkevésbé ismert ilyen folyamat, az ú.n. asztrofizikai gamma-folyamat mely a vasnál nehezebb proton-gazdag magokat – ú.n. p-magokat – állítja elő. A p-magok előfordulását eddig csak a Naprendszerben sikerült kimutatni. Jelenlegi ismereteink szerint a szupernóva robbanás során játszódik le a gamma-folyamat: az extrém magas hőmérsékletű környezetben a korábban neutronbefogás révén létrejött magokon a jelenlévő nagyenergiás fotonok hatására fotobomlási reakciók játszódnak le. Jelen kutatás célja a p-magok keletkezésének jobb megértése.
A gamma-folyamat szimulálását reakció hálózat számításokkal végzik, a számított p-mag gyakoriságokat a Naprendszerbeli gyakoriságokhoz hasonlítják. Annak érdekében, hogy megbízhatóbb gamma-folyamat számítást végezhessünk, információ szükséges az asztrofizikai környezetről – szupernóva hőmérséklet, neutronbefogás révén létrejött ú.n. „seed” magok száma – illetve pontos bemenő magreakció hatáskeresztmetszet adatokra kell támaszkodni. Olyan magreakciók vizsgálatát tervezem melyek egyrészt a „seed” magok gyakoriságának pontosabb ismeretét másrészt a fotobomlási reakciók hatáskeresztmetszeteinek megbízhatóbb meghatározását teszik lehetővé.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
A comprehensive experimental study – including (a,g), elastic alpha scattering cross section measurements and the determination of the strength of a subthreshold resonance in the 13C(a,n) reaction – on the gamma-process nucleosynthesis is planned to be carried out as the aim of this grant.
The cross section of the gamma-induced reactions should be determined from the direction of the inverse capture reaction. Relevant experimental data above the A≈100 mass range is scarce. The characteristic X-ray counting based activation method – developed recently at ATOMKI – is a unique tool, which will be used to study alpha-induced reactions in the 140<A region. The cross sections of the 175Lu(a,g) 176Lu(a,n) and – in collaboration with the University of Cologne and Basel – the 168Yb(a,g) reactions will be measured at ATOMKI.
The statistical model used to calculate the cross sections for the gamma-process network uses global alpha-nucleus optical potentials as input. High precision alpha-scattering data – necessary to determine the parameters of the optical potential – at energies below the Coulomb barrier in the relevant mass range is missing. Accordingly, the 113,115In(a,a) and 142Nd(a,a) – in collaboration with the University of Kocaeli – elastic scattering reactions will be studied at ATOMKI to improve the available global optical potential parameter sets.
Current stellar models and stellar spectroscopy studies support the 13C(α,n)16O reaction as one of the dominant neutron sources, producing the seed nuclei for the gamma-process. Its reaction cross section is strongly affected by a subthreshold resonance; the aim of the project is to determine its strength.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
About 99% of the natural nuclides above iron are synthesized via neutron capture reactions in the s- and r-processes. However, on the proton-rich side of the valley of stability there are 35 heavy, relatively proton-rich nuclei – the so-called p-nuclei – which are separated from the path of the neutron capture processes. The main stellar mechanism synthesizing the p-nuclei – the gamma-process – involves photodisintegrations on the preexisting neutron-rich seed nuclei. The high energy photons are available in explosive nucleosynthesis scenarios like in the Ne/O burning layer in type II supernovae.
Modeling the synthesis of the p-nuclei and calculating their abundances require an extended reaction network simulation involving more than 20000 reactions on about 2000 mostly unstable nuclei. The photodisintegration cross sections used in this network are calculated using the Hauser-Feshbach statistical model.
Despite the tremendous efforts of recent years, the synthesis of the p-nuclei is still one of the least known processes of nucleosynthesis, even the most recent simulations are poorly reproduce the Solar System abundances of the p-isotopes. Large uncertainties are introduced into the calculations by the nuclear physics input. The aim of the present proposal is to provide high precision nuclear physics input for a more reliable gamma-process network.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The primary aim is to provide high precision nuclear physics input for a more reliable gamma-process network simulation. The planned experiments will be mostly carried out at ATOMKI in international collaboration including University of Cologne, University of Kocaeli, University of Basel and INFN-LNS.
Alpha-induced reaction cross sections will be measured in the 140<A<200 mass region using a novel technique, developed at ATOMKI, to test the predictions of the statistical model. From the experimental data, reaction rates at different stellar temperatures will be calculated to improve the knowledge on the gamma-process.
Global alpha-nucleus optical potential parameterizations are widely used in nuclear physics as well as in astrophysics for the calculation of reaction cross sections with alpha particles in the entrance or exit channel. Elastic alpha scattering experiments will be carried out to test and improve the global optical potential parameter sets used in gamma-process reaction networks.
The heavy nuclei, produced via neutron capture acts as seed nuclei for the photodisintegration. Current stellar models as well as stellar spectroscopy studies support the 13C(α,n)16O reaction as one of the dominant neutron sources. The aim of the present research is to measure the strength of a subthreshold resonance affecting the cross section. Consequently, an impact not only on the gamma-process nucleosynthsis, but on the s and r processes will be given, too.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The chemical elements and their isotopes are produced in different processes via nuclear reactions in stars. One of the least known process is the astrophysical gamma-process which synthesizes the so-called p-nuclei. The p-nuclei are located at the proton-rich side of the valley of stability, they are heavier than iron and their relative abundance is low. Up to know they were observed only in the Solar system. According to our knowledge, the gamma-process takes place during the explosion of type II supernovae. At temperatures around few GK (10^9K), high energy photons are destroying via photodisintegration reactions the preexisting nuclei produced by neutron capture. The aim of the present research is to understand better the synthesis of the p-nuclei.
The gamma-process studies are based on reaction network simulations: the calculated p-nuclei abundances are compared to the observed ones. In order to perform a more reliable gamma-process flow simulation information on the astrophysical environment as well as high precision nuclear data are needed. A comprehensive experimental study on reactions relevant for the gamma-process is planned to be carried out as the aim of this grant




 

Final report

  
Results in Hungarian
A stabilitási völgy proton-gazdag oldalán a 74Se és 196Hg izotópok között található 35 stabil mag - ú.n. p-mag – az asztrofizikai gamma-folyamatban, fotobomlási reakciók révén keletkezik. A gamma-folyamat szimulálását reakció hálózat számításokkal végzik, a szükséges hatáskeresztmetszeteket a statisztikus modell szolgáltatja. Pályázatom keretében a gamma-folyamat modellezése szempontjából fontos magreakciók kísérleti vizsgálatát végeztem. A statisztikus modell által jósolt fotobomlási hatáskeresztmetszeteket ellenőriztem az inverz töltött részecske-indukált reakciók hatáskeresztmetszetének mérésével 64Zn, 130Ba, 162Er, 168Yb és 175Lu magok esetén. A 162Er+a reakció során kiemelkedő fontosságú eredményünk, hogy első alkalommal sikerült a nehéz magok tartományában alfa-befogási hatáskeresztmetszetet az (a,n) reakció küszöb alatt mérnünk. A statisztikus modell paramétereként használt optikai potenciálok megbízhatóságát alfa rugalmas szórási kísérletekkel ellenőriztük, a pályázat keretében a 113,115In(a,a) illetve a 142,146,148Nd(a,a) reakciókat tanulmányoztuk. A gamma-folyamat pontosabb megértéséhez a fotobomlási reakciókhoz rendelkezésre álló vasnál nehezebb magok gyakoriságának ismerete szükséges. Ezen magok neutronbefogással keletkeznek, a meghatározó neutronforrás a 13C(a,n) reakció. A reakció hatáskeresztmetszetét meghatározza a reakció küszöb alatt található ismeretlen erősségű rezonancia. A „Trójai Fa Ló” indirekt módszerrel e rezonancia erősségét mértem meg.
Results in English
The 35 proton-rich heavy, stable, rare nuclei between 74Se and 196Hg - the so-called p nuclei – are produced via photodisintegration reactions in the astrophysical gamma process. The theoretical description of the gamma process is based on large reaction network studies, the reaction cross sections are calculated in the framework of the statistical model. In the present grant a comprehensive experimental study on the gamma process nucleosynthesis was carried out: -The cross sections of the photodisintegrations can be determined from the study of the inverse capture reactions. Therefore, the 64Zn+p, 130Ba+p, 162Er+a, 168Yb+a and the 175Lu+a reaction cross sections were measured. -High precision alpha-scattering data – necessary to determine the parameters of the optical potential used in the model – were collected by the study of the 113,115In(a,a) and 142,146,148Nd(a,a) reactions at energies below the Coulomb barrier in the astrophysically relevant mass range. -Current stellar models as well as stellar spectroscopy studies strongly support the 13C(α,n)16O reaction as one of the dominant neutron sources, producing the seed nuclei for the gamma process. Its reaction cross section is strongly affected by a subthreshold resonance; the aim of the project was to determine its strength using the Trojan Horse indirect technique.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=104664
Decision
Yes





 

List of publications

  
M. La Cognata, C. Spitaleri, O. Trippella, G. G. Kiss, G.V. Rogachev, A. M. Mukhamedzhanov, M. Avila, G. L. Guardo, E. Koshchiy, A. Kuchera, L. Lamia, S. M. R. Puglia, S. Romano, D. Santiago, and R. Sparta: Measurement of the 3 keV Resonance in the Reaction 13C(a,n)16O of Importance in the s-Process, Phys. Rev. Lett. 109, 232701, 2012
G. G. Kiss, P.Mohr, Zs. Fülöp, T. Rauscher, Gy.Gyürky, T. Szücs, Z. Halász, E. Somorjai, A. Ornelas, C. Yalcin, R. T. Güray and N. Özkan: High precision 113In(a,a)113In elastic scattering at energies around the Coulomb barrier for the astrophysical g process, Phys. Rev. C 88, 045804, 2013
L. Netterdon, P. Demetriou, J. Endres, U. Giesen, G. G. Kiss, A. Sauerwein, T. Szücs, K. O. Zell, A. Zilges: Investigation of a-induced reactions on the p nucleus 168Yb, Nucl. Phys. A 916 149–167, 2013
M. La Cognata, C. Spitaleri, O. Trippella, G. G. Kiss, G.V. Rogachev, A. M. Mukhamedzhanov, M. Avila, G. L. Guardo, E. Koshchiy, A. Kuchera, L. Lamia, S. M. R. Puglia, S. Romano, D. Santiago, and R. Sparta:: On the measurement of the 13C(alpha, n)16O S-factor at negative energies and its influence on the s-process., The Astrophysical Journal 777 143., 2013
G. G. Kiss, T. Szücs, T. Rauscher, Zs. Török, Zs. Fülöp, Gy. Gyürky, Z. Halász, E. Somorjai: Alpha induced reaction cross section measurements on 162Er for the astrophysical γ process, Physics Letters B 735 40–44, 2014
Gy. Gyürky, P. Mohr, Zs. Fülöp, Z. Halász, G. G. Kiss, T. Szücs, and E. Somorjai: Relation between total cross sections from elastic scattering and a-induced reactions: The example of 64Zn, Physical Review C 86, 041601(R), 2012
Gy. Gyürky,M. Vakulenko, Zs.Fülöp, Z.Halász, G. G. Kiss, E. Somorjai, T. Szücs: Cross section and reaction rate of 92Mo(p,γ)93Tc determined from thick target yield measurements, Nuclear Physics A 922 112–125, 2014
L. Netterdon, A. Endres, G. G. Kiss, J. Mayer, T. Rauscher, P. Scholz, K. Sonnabend, Zs. Török, and A. Zilges: Cross-section measurement of the 130Ba(p,γ)131La reaction for γ-process nucleosynthesis, Physical Review C 90, 035806, 2014
G .G. Kiss, T. Szücs, T.Rauscher, Zs.Török, L.Csedreki, Zs. Fülöp, Gy.Gyürky, Z.Halász: Measurement of (a,n) reaction cross sections of erbium isotopes for testing astrophysical rate predictions, Journal of Physics G, közlésre elfogadva, 2014
Gy. Gyürky, Zs. Fülöp, Z. Halász, G. G. Kiss, and T. Szücs: Direct study of the alpha-nucleus optical potential at astrophysical energies using the 64Zn(p, alpha)61Cu reaction, Physical Review C 90 052801, 2014
M. La Cognata, C. Spitaleri, O. Trippella, G. G. Kiss, G.V. Rogachev, A. M. Mukhamedzhanov, M. Avila, G. L. Guardo, E. Koshchiy, A. Kuchera, L. Lamia, S. M. R. Puglia, S. Romano, D. Santiago, and R. Sparta: Measurement of the 3 keV Resonance in the Reaction 13C(a,n)16O of Importance in the s-Process, Phys. Rev. Lett. 109, 232701 (2012), 2012
G.G.Kiss, P.Mohr, Zs. Fülöp, T. Rauscher, Gy.Gyürky, T. Szücs, Z.Halász, E. Somorjai, A.Ornelas, C.Yalcin, R. T. Güray and N. Özka n: High precision 113In(a ,a )113In elastic scattering at energies around the Coulomb barrier for the astrophysical g process, Phys. Rev. C, közlésre elfogadva, 2013
L. Netterdon, P. Demetriou, J. Endres, U. Giesen, G. G. Kiss, A. Sauerwein, T. Szücs, K. O. Zell, A. Zilges: Investigation of a-induced reactions on the p nucleus 168Yb, Nucl. Phys. A 916 (2013) 149–167, 2013
M. La Cognata, C. Spitaleri, O. Trippella, G. G. Kiss, G.V. Rogachev, A. M. Mukhamedzhanov, M. Avila, G. L. Guardo, E. Koshchiy, A. Kuchera, L. Lamia, S. M. R. Puglia, S. Romano, D. Santiago, and R. Sparta:: On the measurement of the 13C(alpha, n)16O S-factor at negative energies and its influence on the s-process., The Astrophysical Journal 777 (2013) 143., 2013
G.G.Kiss, T.Szücsa, T.Rauscher, Zs.Török, Zs.Fülöp, Gy.Gyürky, Z.Halász, E.Somorjai: Alpha induced reaction cross section measurements on 162Er fortheastrophysical γprocess, PhysicsLettersB735(2014)40–44, 2014
Gy. Gyürky, M. Vakulenko, Zs. Fülöp, Z. Halász, G.G. Kiss, E. Somorjai, T. Szücs: Cross section and reaction rate of the 92Mo(p,γ)93Tc determined from thick target yield measurements, Nuclear Physics A 922 (2014) 112, 2014




 

Events of the project

  
2020-02-10 16:23:14
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Örökségtudományi Laboratórium (Atommagkutató Intézet), Új kutatóhely: Tandetron Laboratórium (Atommagkutató Intézet).



Back »