Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6783

Neutronenquellen für den s-Prozess und die Rolle der 13C(a,n) Reaktion

Michael Heil

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.

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