用‘综合R-矩阵分析’方法研究核天体物理的两个重要难题

以本项目组原有的'综合R-矩阵分析'程序为核心，构建用于低能核反应的可靠并完善的R-矩阵程序，分别对16O核系统和12B核系统多个反应道、尽可能全和可靠的实验数据进行联合分析,并且考虑全误差传播,进而给出可靠性提升很多的GAMOW窗处①12C(α,γ)16O俘获截面及相应的S因子- - 它是近20多年来核天体物理学亟待解决和最为关注的难题之一，其值决定着红巨星氦燃烧结束时恒星核心的主要核成分以及大质量恒星晚期的演化,并直接影响超新星爆发；②8Li(α,n)11B全截面及相应的S因子- - 它在超新星爆发的快（r）过程核合成中起关键作用，决定了种子核和r过程元素的产量，影响宇宙重元素的丰度。这些研究成果对研究恒星形成的历史、超新星爆发、银河系结构和主要成分的参数有决定性影响，并为筹建的上海激光电子伽玛源提供一个有重要科学价值的物理目标和一个用于光核反应的可靠并完善的数据分析软件。

恒星氦燃烧阶段，3α和12C(α,γ)16O反应相互竞争，两者的反应速率共同决定了氦燃烧结束后C与O的丰度比，该值是大质量恒星后继演化以及伴随的元素核合成过程的初始条件。这些过程对12C(α,γ)16O在恒星环境中的温度为0.2×10^9K（Ecm=0.3 MeV，俘获总截面估计在10^−17 b）处的反应率极为敏感。天体物理模型要求12C(α,γ)16O反应率的精确度要低于10%，然而目前尚未有实验或理论上给出满足要求的结果。..目前最为直接和可靠地获取12C(α,γ)16O反应率的方法，就是尽可能往低能区测量其天体物理S因子，通过理论外推到感兴趣的能区。为了弄清16O核对于S因子的具体作用，四十多年的研究积累了大量的实验数据，包括精确测量12C(α, γ)16O的总的S因子，基态俘获的γ角分布，级联跃迁S因子, 16N核的β-延迟α粒子谱, 转移反应约化宽度，12C+α的弹散截面，以及更高能区的α1和p反应道数据。目前实验测量的12C(α,γ)16O反应在质心系891keV，测量误差50%以上。R-矩阵理论是上述实验数据拟合及其外推最为有效的分析手段，也是本工作的最为主要的研究内容。..首先，我们基于经典的R-矩阵理论，创立了用于低能核反应的多道、多能级的约化R-矩阵理论，用于拟合上述的几乎所有的16O系统的实验数据。拟合表明该理论下的积分和微分反应截面公式，可以精确的描述12C(α,γ)16O反应天体物理S因子和基态俘获的角分布实验数据。配和使用协方差统计和误差传播理论，通过迭代拟合16O系统的可用的实验数据，外推得到了客观的、内部自恰的和唯一性好的12C(α,γ)16O反应天体物理S因子。总的外推S因子为，Stot(0.3MeV)=162.7±7.3keV b，这是理论中首次给出达到天体物理模型的精度要求的S因子。主要结果参见已发表文章PRC 92, 045802 (2015)。..其次，基于R-矩阵分析给出的全能区的S因子，计算给出了温度位于0.04 ≤ T9 ≤ 10的12C(α,γ)16O天体物理反应率。在T9 = 0.2处, 推荐的反应率为(7.83 ± 0.35)×10^15 cm3mol−1s−1，相应的相对误差4.5%。我们理论上，首次给出满足恒星演化模型精确度要的反应率。结果发表于高影响因子天体物理期刊ApJ 817,L5 (2016)。