EuroGenesis_Mikroskopische Optische Potentiale für die Nukleosynthese (EXNUC)

Stellare Nukleonsynthese erfolgt durch ein Netzwerk von Kernreaktionen während der verschiedenen Entwicklungsphasen eines Sternes. Der vorliegende Projektvorschlag betrifft Kernreaktionen mit -Teilchen, die unter anderem in der Nukleosynthese in explosiven Szenarien auftreten. Das besondere Interesse gilt der Bildung der sogenannten p-Kerne, das sind protonreiche Isotopen zwischen Se-74 und Hg-196. Diese p-Kerne, abgesehen von Mo-92, weisen eine 10-100 fach geringere Häufigkeit als entsprechende neutronenreiche Isotopen auf. Nach dem heutigen Verständnis erfolgt die Bildung von p-Kernen bei hohen Temperaturen (T9=3-6), die z.B. bei Supernovae Typ II Explosionen auftreten. Derzeit sind nur wenige Wirkungsquerschnitte der relevanten Reaktionen gemessen und man muss sich bei der Bestimmung der p-Reaktionsraten auf theoretische Schätzungen verlassen. Schlüsselgrößen in solchen Reaktionsrechnungen sind die Optischen Potentiale. Allerdings sind diese bei kleinen Energien nicht gut bekannt, was zu substantiellen Unsicherheiten in den berechneten Reaktionsraten für den p- Prozess führt. Das vorgeschlagene Projekt hat eine konsistente auf mikroskopischen Modellen beruhende Berechnung der für den p-Prozess relevanten Photospalt- bzw. der entsprechenden Einfangquerschnitte zum Ziel. Eine primäre Aufgabe ist dabei die Formulierung und die Bestimmung von Proton-Kern und Alpha-Kernpotentialen im Rahmen einer erweiterten Kernstrukturnäherung, welche für den astrophysikalisch interessanten Energiebereich vielversprechend erscheint. Dabei soll besonderer Wert vor allem auf eine konsistente Verwendung realistischer Nukleon-Nukleon- Wechselwirkungen und einer geeigneten Berücksichtigung des Pauli-Prinzips gelegt werden. Mit diesen optischen Potentialen werden Photospalt- und Einfangwirkungsquerschnitte im Rahmen des statistischen Modells unter voller Berücksichtigung der Nichtlokalität der optischen Potentiale berechnet werden. Diese Rechnungen werden für eine Reihe von p-Kernen sowie für spezielle Reaktionen, deren Messungen Teil des Gesamtprojekts EXNUC sind, durchgeführt. Es wird erwartet, dass die geplanten Entwicklungen dieses Projekts zu einem besseren quantitativen Verständnis des p-Prozesses führen.

Im Rahmen des Projekts wurden mikroskopische Modelle zur Bestimmung der effektiven Wechselwirkung zwischen Alpha-Teilchen und Atomkernen, sogenannte optische Potentiale, zur Beschreibung niederenergetischer Streuprozesse entwickelt. Diese Entwicklung ist von großer Bedeutung für die nukleare Astrophysik, da Alpha-Kern optische Potentiale in die Berechnung von Reaktionsprozessen der Nukleosynthese essentiell eingehen, aber bei den entsprechend niederen Energien auf Grund der Coulomb-Barriere einer experimentellen Bestimmung nicht zugänglich sind. Ausgehend von der grundlegenden Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung wurden zwei Näherungen für die optischen Potentiale betrachtet. Eine Erweiterung der für Nukleon-Kernstreuung erfolgreichen Kernmaterienäherung auf Alpha-Kernpotentiale, bei welchem der Atomkern auf der Basis einer unendlich ausgedehnten Kernmaterie beschrieben wird. Die zweite Entwicklung betrifft die in den letzten beiden Jahrzehnten auf Grund Ihrer Komplexität kaum verwendete Kernstrukturnäherung, bei welcher die wichtigsten Anregungen des Atomkerns mittels Vielteilchenmethoden beschrieben und explizit berücksichtigt werden. Die neuen Aspekte betreffen hier vor allem erhöhte Konsistenz der Formulierung und den Einsatz moderner Kernstrukturprogramme, welche die Möglichkeiten aktueller Computer ausnützen. Die Modelle wurden numerisch umgesetzt, die Potentiale für sphärische Kerne bestimmt und auf elastische Streuung angewandt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kernstrukturnäherung trotz weitgehend vollständiger und konsistenter Beschreibung nur etwa 50 60% der erwarteten Absorption liefert und damit nur unwesentlich besser ist als Studien mit wesentlich eingeschränkteren Möglichkeiten vor 30 Jahren. Im Gegensatz dazu liefert die Kernmaterienäherung eine über den gesamten Energiebereich verwendbare Beschreibung der elastischen Alpha-Kernstreuung. Die erzielten Ergebnisse stellen einen wichtigen Fortschritt im Hinblick auf eine weitgehend parameterfreie Berechnung von niederenergetischen Alpha-Kernreaktionen für die Nukleosynthese von Elementen dar. Die Methode der Kernmaterienäherung kann auf deformierte Kerne und damit auf einen Großteil der interessierenden Reaktionen der Nukleosynthese erweitert werden. Die entwickelten Alpha-Kernpotentiale sind auch für die Materialwissenschaften von Interesse, da sie wesentliche Voraussetzung für die Berechnung von Gasbildenden Reaktionen sind, welche zur Versprödung von Materialien unter Bestrahlung führen.