Μελέτη πυρηνικών αντιδράσεων σύλληψης με σημασία στην πυρηνοσύνθεση μεσοβαρών πυρήνων
Authors: Σπύρου Αρτεμισία 
Published: August 2021

Η μελέτη των αντιδράσεων σύλληψης φορτισμένων σωματιδίων παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον στην κατανόηση και τη σωστή περιγραφή της πυρηνοσυνθετικής διεργασίας p, η οποία είναι υπεύθυνη για την παραγωγή των λεγάμενων p πυρήνων. Ο όρος ρ πυρήνες αναφέρεται σε 35 σταθερούς πυρήνες, οι οποίοι βρίσκονται στην πλούσια σε πρωτόνια περιοχή της κοιλάδας σταθερότητας, από το ⁷⁴Se μέχρι το ¹⁹⁶Hg. Τα αστροφυσικά πρότυπα πυρηνοσύνθεσης που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα, αδυνατούν να αναπαράγουν σε ικανοποιητικό βαθμό τις περιεκτικότητες όλων των p πυρήνων. Για το λόγο αυτό, είναι ιδιαίτερα σημαντική η μελέτη των πυρηνικών αντιδράσεων που υπεισέρχονται σε υπολογισμούς περιεκτικοτήτων. Στην περίπτωση της διεργασίας p οι υπολογισμοί αυτοί περιλαμβάνουν περισσότερες από 20000 αντιδράσεις στις οποίες συμμετέχουν περίπου 2000 πυρήνες. Προφανώς, δεν είναι δυνατός ο πειραματικός προσδιορισμός των ενεργών διατομών όλων αυτών των αντιδράσεων, ιδιαίτερα αν λάβει κανείς υπόψη ότι οι πυρήνες που συμμετέχουν σε αυτό το δίκτυο πυρηνικών αντιδράσεων είναι στην πλειοψηφία τους ασταθείς. Έτσι, στην πραγματοποίηση αστροφυσικών υπολογισμών είναι απαραίτητη η χρήση της θεωρίας Hauser-Feshbach (HF) για το θεωρητικό προσδιορισμό των σχετικών ενεργών διατομών. Ο έλεγχος των πυρηνικών παραμέτρων που εισέρχονται στους θεωρητικούς υπολογισμούς της θεωρίας HF είναι δυνατός μέσω της σύγκρισης των θεωρητικών προβλέψεων με πειραματικές μετρήσεις ενεργών διατομών. Η παρούσα εργασία περιλαμβάνει τη συστηματική μελέτη αντιδράσεων σύλληψης πρωτονίων και σωματιδίων α στην περιοχή των μεσοβαρών πυρήνων με σκοπό τη βελτιστοποίηση των μοντέλων περιγραφής των πυρηνικών ιδιοτήτων που εισέρχονται στη θεωρία HF. Η διατριβή αυτή αποτελείται από 5 κεφάλαια : α) θεωρητικό υπόβαθρο, β) μεθοδολογία και πειραματικές διατάζεις, γ) μετρήσεις και ανάλυση, δ) θεωρητικοί υπολογισμού και αποτελέσματα και ε) τελικά συμπεράσματα. Στο θεωρητικό υπόβαθρο αναπτύσσονται αρχικά κάποιες έννοιες που σχετίζονται με τις αστρικές διεργασίες. Συγκεκριμένα, αφού αναφέρονται σε συντομία οι έννοιες της ενεργού διατομής μιας αντίδρασης (§1.1.1) και του ρυθμού αντίδρασης (§1.1.2), στη συνέχεια γίνεται αναφορά στα φαινόμενα σήραγγος (§1.1.3) και screening (§1.1.4), καθώς και στην έννοια του παραθύρου Gamow (§1.1.5). Στην παράγραφο §1.1.6 περιγράφονται οι διάφορες διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των αστέρων και που είναι υπεύθυνες για τη δημιουργία των στοιχείων που παρατηρούνται στο σύμπαν. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην πυρηνοσύνθεση πάνω από το σίδηρο (§1.1.7), εστιάζοντας κυρίως στη διεργασία ρ και τους ρ πυρήνες (§1.1.8). Τα στοιχεία αστρικής πυρηνοσύνθεσης ολοκληρώνονται με την παράγραφο §1.1.9 όπου γίνεται αναφορά στο πρόβλημα των περιεκτικοτήτων των p πυρήνων. Στο δεύτερο μέρος του θεωρητικού υποβάθρου παρουσιάζονται αρχικά οι διάφοροι τύποι πυρηνικών αντιδράσεων (§1.2.1) με ιδιαίτερη έμφαση στο μηχανισμό σύνθετου πυρήνα (§1.2.2) που σχετίζεται με τις αντιδράσεις της διδακτορικής αυτής διατριβής. Για τον υπολογισμό των ενεργών διατομών των αντιδράσεων αυτών χρησιμοποιείται η θεωρία Hauser- Feshbach, ο φορμαλισμός της οποίας παρουσιάζεται στην §1.2.3. Το δεύτερο κεφάλαιο της διατριβής περιλαμβάνει την περιγραφή των διαφόρων πειραματικών μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν. Σε μετρήσεις ενεργών διατομών είναι ιδιαίτερα σημαντική η κατασκευή κατάλληλων στόχων και η ανάλυση τους. Για το λόγο αυτό παρουσιάζονται στην §2.1.1 τα βασικά χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει ένας στόχος ώστε να είναι κατάλληλος για μετρήσεις ενεργών διατομών. Μέρος των στόχων που χρησιμοποιήθηκαν παρασκευάστηκαν στον εξαχνωτήρα του Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής (ΙΠΦ) ο οποίος περιγράφεται στην §2.1.2. Ακολουθεί η περιγραφή των τριών μεθόδων ανάλυσης των στόχων: α) Μέθοδος φθορισμού ακτινών X - XRF (§2.1.3), β) Μέθοδος οπισθοσκέδασης Rutherford - RBS (§2.1.4) και γ) Μέθοδος ανάλυσης πυρηνικών αντιδράσεων - NRA(§2.1.5). Στη συνέχεια γίνεται περιγραφή των τριών μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρηση ενεργών διατομών: α) η μέθοδος της ενεργοποίησης (§2.2.1), β) η μέθοδος των γωνιακών κατανομών (§2.2.2) και γ) η μέθοδος γωνιακής ολοκλήρωσης (§2.2.3). Οι μετρήσεις της διατριβής πραγματοποιήθηκαν σε τρία διαφορετικά εργαστήρια με χρήση διαφορετικών επιταχυντικών και ανιχνευτικών διατάξεων. Στις μετρήσεις στο ΙΠΦ χρησιμοποιήθηκε ο επιταχυντής Van de-Graaf Tandem που παρουσιάζεται στην §2.3.1 ενώ η αντίστοιχη ανιχνευτική διάταξη ενεργοποίησης περιγράφεται στην §2.3.2. Σύντομη περιγραφή του επιταχυντή Dynamitron του IfS στη Στουτγάρδη γίνεται στην §2.4.1 ενώ στην §2.4.2 παρουσιάζεται η αντίστοιχη διάταξη των ανιχνευτών HPGe που χρησιμοποιήθηκαν στις μετρήσεις γωνιακών κατανομών. Τέλος, περιγράφεται, επίσης σε συντομία, ο επιταχυντής Dynamitron Tandem του πανεπιστημίου του Bochum (§2.5.1) καθώς και ο ανιχνευτής NaI(Tl), γεωμετρίας 4π, που χρησιμοποιήθηκε στις γωνιακά ολοκληρωμένες μετρήσεις (§2.5.2). Το κεφάλαιο των μετρήσεων και της ανάλυσης έχει χωριστεί σε τρία τμήματα ανάλογα με την τεχνική που χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση των ενεργών διατομών. Συγκεκριμένα, οι μετρήσεις με τη μέθοδο ενεργοποίησης περιγράφονται στην §3.1, οι μετρήσεις γωνιακών κατανομών στην §3.2 ενώ οι μετρήσεις γωνιακής ολοκλήρωσης στην §3.3. Σε κάθε τμήμα γίνεται μια γενική περιγραφή των μετρήσεων και της μεθόδου ανάλυσης όλων των αντιδράσεων και στη συνέχεια παρουσιάζονται οι επιμέρους λεπτομέρειες κάθε αντίδρασης ξεχωριστά. Το τέταρτο κεφάλαιο περιλαμβάνει την περιγραφή των θεωρητικών προτύπων που χρησιμοποιούνται στη διατριβή καθώς και τα τελικά αποτελέσματα. Στους σχετικούς υπολογισμούς της θεωρίας HF χρησιμοποιούνται θεωρητικά μοντέλα περιγραφής των διαφορών πυρηνικών παραμέτρων. Οι παράμετροι αυτές είναι α) πυκνότητες πυρηνικών καταστάσεων (§4.1.1), β) οπτικό δυναμικό πρωτονίου-πυρήνα (§4.1.2) και γ) οπτικό δυναμικό σωματιδίου-α-πυρήνα (§4.1.3). Στην §4.2 παρουσιάζονται τα τελικά πειραματικά αποτελέσματα της διατριβής και σύγκριση τους με τους θεωρητικούς υπολογισμούς. Πιο αναλυτικά, στην §4.2.1 παρουσιάζεται ο τρόπος υπολογισμού του αστροφυσικού παράγοντα, ενώ οι παράγραφοι §4.2.2 και §4.2.3 περιλαμβάνουν τις ενεργές διατομές και τους αστροφυσικούς παράγοντες των αντιδράσεων (p, γ) και (α, γ), αντίστοιχα. Η διατριβή ολοκληρώνεται με τα τελικά συμπεράσματα.