Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6783
Neutronenquellen für den s-Prozess und die Rolle der 13C(a,n) Reaktion
Zusammenfassung
Ziel dieser
Arbeit war es, die 13C(a,n)-Reaktionsrate bei der astrophysikalisch
relevanten thermischen Energie von kT ? 8 keV zu bestimmen. Gemäß
den neuesten Sternmodellen stellt diese Reaktion die Hauptneutronenquelle für
den s-Prozess dar. Eine thermische Energie von kT = 8 keV bedeutet für a-Teilchen ein Gamow-Fenster
um 190 keV. Da dies weit unterhalb der Coulomb-Barriere liegt, ist der
Wirkungsquerschnitt extrem klein und entzieht sich einer direkten Bestimmung,
weshalb man auf die Extrapolation der bei höheren Energien gemessenen Werte
angewiesen ist. Bisher durchgeführte Extrapolationen zeigen große
Unsicherheiten, und die daraus resultierenden Reaktionsraten variieren bis zu
einem Faktor 10. Eine halb so große Reaktionsrate z.B. würde aber schon zu
erheblichen Konsequenzen für das stellare Modell führen und es in seiner
jetzigen Form in Frage stellen.
Im
Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb eine umfangreiche R-Matrix-Analyse
durchgeführt, die erstmals alle offenen Reaktionskanäle berücksichtigt. Um die
Zuverlässigkeit der Extrapolation zu erhöhen, mussten die bisher gemessenen
Daten durch zwei Experimente ergänzt werden. Zum einen wurde der absolute
Querschnitt der 13C(a,n)-Reaktion im Energiebereich von Ecm = 320 - 700 keV
gemessen. Damit konnten Diskrepanzen in der Normierung von bestehenden
Datensätzen ausgeräumt werden. Zum anderen wurde der doppelt-differentielle 13C(a,a)-Streuquerschnitt im
Energiebereich von Elab = 1.5 – 6.2 MeV für 28 Winkel gemessen. Mit
Hilfe dieser Daten konnte der Beitrag möglicher Hintergrundresonanzen bestimmt
und somit die Verlässlichkeit der Extrapolation deutlich verbessert werden.
Außerdem wurde die Zuordnung von Spins und Paritäten für eine Vielzahl von
Resonanzen verbessert und sechs bisher unbekannte Resonanzen identifiziert.
Als
Ergebnis dieser Arbeit konnte die Rate der 13C(a,n) Reaktion bei
Temperaturen von kT = 8 keV(T = 0.1·109 K) zu (4.4 ± 1.0)·10-14
cm3/mole/s bestimmt werden, in guter Übereinstimmung mit dem
bisherigen Wert. Die Unsicherheiten der Extrapolation wurden allerdings
erheblich vermindert, so dass eine um einen Faktor zwei kleinere Reaktionsrate
ausgeschlossen werden kann.
Neutron sources for the s-process
and the role of the 13C(a,n) reaction
Abstract
The aim of this work was to determine the 13C(a,n) reaction rate at the
astrophysically relevant thermal energy of kT ? 8 keV. According to current
stellar models, 13C(a,n) is considered to be the main neutron source for the s-process. A
thermal energy of kT = 8 keV is equivalent to a Gamow window around 190 keV fora-particles. Since this
energy is far below the Coulomb barrier the reaction cross section is extremely
small and can not be measured directly. Therefore one has to rely on the
extrapolation of the values measured at higher energies. The extrapolations
reported so far showed all large uncertainties resulting in variations of the
reaction rate by up to a factor of 10. But a reaction rate smaller by a factor
of two would already imply serious consequences for the stellar model.
In this work an extensive R-Matrix analysis was
carried out which, for the first time, accounts for all possible reaction
channels. To increase the reliability of the extrapolation the existing data
had to be complemented by two experiments. First, the absolute cross section of
the 13C(a,n)
reaction was measured in the energy range Ecm = 320 - 700 keV in
order to remove various discrepancies in the normalization of previous data
sets. Second, the double differential scattering cross section 13C(a,a) was measured in the energy
range Elab = 1.5 – 6.2 MeV for 28 angles. These data were useful to
constrain possible contributions from background resonances and, therefore,
improved the accuracy of the extrapolation. In addition, the spin and parity
assignments have been improved for many resonances and six previously unknown
resonances could be identified.
The reaction rate at a temperature of kT = 8
keV (T = 0.1·109 K) was determined to (4.4 ± 1.0)·10-14
cm3/mole/s, in good agreement with the value adopted so far.
However, the uncertainties were sufficiently reduced to exclude definitively a
variation of the reaction rate by a factor of two.