Three-body soft dipole mode and astrophysical applications
For this series of works its team of authors was awarded JINR Incentive prize 2020
Authors:L. Grigorenko, Yu. Parfenova, N. Shulgina, M. Zhukov
Трехчастичная мягкая дипольная мода и ее приложение в астрофизике
Теоретические результаты имеют особое значение в задачах ядерной астрофизики. Это связано с тем, что далеко не все нужные здесь величины могут быть получены или проверены в эксперименте. В частности, задачи о трехчастичных радиационных захватах не могут опираться на прямо измеренные сечения процессов. Их можно только пересчитать из обратных процессов трехчастичной кулоновской диссоциации модельно зависимым способом. Вызов, который стоит перед теорией в этой области – высокоточные расчеты без возможности прямой экспериментальной проверки.
Трехчастичные двухнейтронные и двухпротонные захваты в ядерной астрофизике становятся актуальны в условиях высокой температуры и плотности. Они реализуются на траекториях астрофизических r- и rp-процессов в ходе «взрывного» нуклеосинтеза. Сюда относятся нуклеосинтез при коллапсе кора сверхновых, столкновении нейтронных звезд, взрывное горение аккреционного водорода на поверхности нейтронных звезд и т.п. «Классические» подходы к трехчастичным нерезонансным радиационным захватам были развиты еще в 70-х годах и используются до сих пор [1]. Эти методы по сути своей квазиклассические и в существенно квантовомеханических реальных ситуациях они могут давать непрогнозируемый результат. В представленном исследовании был разработан последовательный квантовомеханический подход к этому классу задач.
Экзотические ядра на границе стабильности часто имеют структуру с нейтронным или протонным гало. Электромагнитная Е1 диссоциация таких ядер имеет характер так называемой «мягкой дипольной моды» (МДМ). МДМ может интерпретироваться как отщепленная низкоэнергетическая часть гигантского дипольного резонанса, связанная с наличием разных радиальных масштабов в ядрах с гало. Опереться на эксперимент в низкоэнергетической области пока не удается, так как исследование обратных процессов кулоновской диссоциации ядер с двухнуклонным гало все еще находится на переднем крае эксперимента. Такие исследования проводятся в очень небольшом числе лабораторий, в частности, в GSI (Дармштадт, Германия), MSU (Мичиган, США) и в некоторых других лабораториях. В их число входит также ЛЯР ОИЯИ, где группой «АКУЛИНА» проводятся как экспериментальные, так и теоретические исследования [2]. В этой лаборатории было впервые выдвинуто предположение о МДМ и уже опубликован целый ряд работ на эту тему. Следует подчеркнуть, что в ЛЯР созданы экспериментальные условия по всестороннему изучению экзотических ядер и их свойств в широком диапазоне масс ядер, удаленных от границы стабильности.
Теоретические результаты, представленные в данном цикле работ, носят «опережающий» характер — сделан ряд предсказаний, которые в последние годы подтверждаются. С теоретической точки зрения основная трудность рассматриваемой проблемы состоит в экстремально плохой сходимости численных расчетов. Так, в рамках метода гиперсферических гармоник для надежных расчетов требуются огромные базисы. Подобные расчеты стали технически выполнимы сравнительно недавно [3]. Но даже при этом проблема сходимости из области энергий, характерной для теории ядерных реакций (E ~ 1–3 МэВ), переходит в область энергий, существенной для астрофизики (E ~ 10–500 кэВ).
В этих условиях для проверки трехчастичных расчетов были разработаны полуаналитические методы, опирающиеся на упрощенные трехчастичные гамильтонианы, допускающие точные решения. Эти решения представляют собой своего рода «страховочный трос», который позволяет продвинуться в низкоэнергетическую область, актуальную для астрофизических приложений.
Было также подтверждено [4], что существенный вклад в скорость реакции 15O(2p, γ)17Ne вносят прямые нерезонансные процессы. При этом аккуратный учет всех параметров, включая эффекты трехчастичной динамики, позволил уменьшить на три порядка неопределенности в предсказываемой скорости двухпротонного радиационного захвата в важном для астрофизики интервале температур от 0.1 до 1.0 ГК (гигакельвин) [5]. На Рис.1 представлены результаты предыдущей работы авторов (серые линии), настоящей работы (сплошные черные линии) и одной из лучших работ других авторов (зеленый пунктир). Уменьшение неопределенности в расчетах авторов обусловлено изменением экспериментальной ситуации с ядром 17Ne, а именно с измерением времени жизни возбужденного состояния 17Ne относительно двухпротонного распада [6], за что группа сотрудников ЛЯР получила в 2017 году вторую премию ОИЯИ.
Кардинально (на 1–2 порядка величины) пересмотрены ранее полученные другими авторами результаты расчетов скорости реакции 4He(2n, γ)6He [7]. На Рис.2 представлены скорости астрофизических радиационных захватов для реакции α+n+n → 6He+γ, полученные с различными силовыми функциями Е1 перехода в работе [7] и в работах других авторов. Точные трехчастичные расчеты авторов представленной работы (красный пунктир) при низких температурах выходят на правильную трехчастичную асимптотику (зеленый пунктир) и хорошо совпадают с результатами точно решаемой динейтронной модели (синие линии). Работы других авторов (серые линии) отличаются на порядки величин и не имеют правильной низкотемпературной асимптотики.
Дальнейшее развитие аналитических методов оценки скорости трехчастичных астрофизических реакций связано с так называемым методом асимптотических нормировочных коэффициентов. Этот метод широко применяется для оценки скорости двухчастичного радиационного захвата при низких энергиях и является полностью аналитическим. Обобщение этого метода на случай трехчастичных реакций радиационного захвата представляет собой нетривиальную задачу. В представленном исследовании показано, как можно обобщить этот метод на случай двухпротонных радиационных захватов в низкоэнергетической области [8]. Оказалось, что существенным фактором здесь является влияние сильных корреляций в процессе захвата. На примере 17Ne впервые получена компактная и элегантная аналитическая формула для скорости трехчастичного радиационного захвата при астрофизических энергиях.
В заключение, отметим, что всестороннее изучение механизмов возбуждения трехчастичной мягкой дипольной моды открывает возможности для более точного вычисления скорости астрофизических реакций и моделирования различных сценариев нуклеосинтеза. Результаты проведенных исследований кардинальным образом меняют «ландшафт» в данной области ядерной физики. Результаты вычислений МДМ качественно отличаются от ранее полученных другими исследователями. Скорости нерезонансных астрофизических 2n и 2p захватов отличаются от ранее полученных на порядки. Новые значения скоростей реакции трехчастичного захвата позволяют существенно пересмотреть некоторые астрофизические сценарии и, возможно, обнаружить иной, ранее неизвестный путь звездной эволюции.
Литература:
- W.A. Fowler, G.R. Caughlan, B.A. Zimmerman,”Thermonuclear Reaction Rates”, Ann. Rev. Astr. Astroph. 5 (1967) 525.
- Публикации группы АКУЛИНА: http://aculina.jinr.ru/publications-acc.html
- L.V. Grigorenko, N.B. Shulgina, M.V. Zhukov, “High-precision studies of the soft dipole mode in two-neutron halo nuclei: The 6He case”, Physical Review C 102 (2020) 014611.
- L.V. Grigorenko, K. Langanke, N.B. Shul’gina, and M.V. Zhukov, “Soft dipole mode in 17Ne and the astrophysical 2p capture on 15O”, Physics Letters B 641 (2006) 254–259.
- Yu.L. Parfenova, I.A. Egorova, L.V. Grigorenko, N.B. Shul’gina, J.S. Vaagen, M.V. Zhukov, “From Coulomb excitation cross sections to nonresonant astrophysical rates in three-body systems: The 17Ne case”, Physical Review C 98 (2018) 034608.
- P.G.Sharov, A.S.Fomichev, A.A. Bezbakh et al., “Search for 2p decay of the first excited state of 17Ne”, Physical Review C 96 (2017) 025807.
- L.V. Grigorenko, N.B. Shulgina, M.V. Zhukov, “Three-body vs. dineutron approach to two-neutron radiative capture in 6He”, Physics Letters B 807 (2020) 135557.
- L.V. Grigorenko, Yu.L. Parfenova, N.B. Shulgina, M.V. Zhukov, “Asymptotic normalization coefficient method for two-proton radiative capture”, Physics Letters B 811 (2020) 135852.