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Neutrinos in Core-Collapse Supernova Nucleosynthesis

Sieverding, Andre (2018):
Neutrinos in Core-Collapse Supernova Nucleosynthesis.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7574],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

The environment of supernova explosions is dominated like no other known scenario by neutrinos. In addition to their crucial role for initiating the explosion itself, neutrinos have an important impact on the production of chemical elements in supernovae. An extensive set of improved neutrino-induced reaction cross-sections is compiled, covering almost the whole nuclear chart. The majority of the cross-sections are calculated based on Random Phase Approximation (RPA) with single- and multi-particle evaporation channels based on statistical model codes. Individual cross-sections that are of particular importance, are derived from experimental data or dedicated shell model calculations, while previous results from the literature were also included.

With these cross-sections the $\nu$ process accompanying the explosive nucleosynthesis is studied with a one-dimensional supernova model based on progenitors of solar metallicity with initial main sequence masses between 13 and 30 solar masses. Modern supernova simulations find that neutrinos are less energetic than what was assumed in previous studies of the neutrino process. Using average neutrino energies compatible with modern simulations we investigate the production of 7Li, 11B, 19F, 138La and 180Ta and find reduced yields compared to previous studies assuming higher neutrino energies. As a result the yields of 11B, 138La and 180Ta are in agreement with their solar abundances, when contributions from other sources are to be taken into account. Implementing a set of neutrino-nucleus cross-sections that is complete in the sense that it includes reactions on all nuclei that are included in the nucleosynthesis calculations, allows to get an overview of the whole extend of process. As a results we can conclude that effects on stable nuclei that have not been discussed previously in the literature are limited to the order of 10%. Dependencies on stellar structure aspects are discussed in detail for the most relevant cases.

We also explore the impact of neutrino-nucleosynthesis on the production of the long-lived radioactive isotopes 22Na, 26Al and 36Cl. We find that the yield of 26Al is increased by a factor of 1.4 and 22Na is found to be efficiently produced in the Carbon-rich zones of some progenitors, providing a possible explanation for radiogenic 22Ne found in meteorites.

Furthermore, we show the importance of going beyond the standard description of supernova neutrino properties for nucleosynthesis by including the predictions of the neutrino signal from a sophisticated supernova simulation. This shows that the definition of an appropriately averaged neutrino temperature is difficult and underestimates the efficiency of the neutrino process because elevated neutrino energies for short periods of time are not appropriately captured. We also identify effects of the dynamics that have only minor consequences for the nucleosynthesis.

For the first time the neutrino process in the innermost supernova ejecta is addressed by using thermodynamic tracers from a two-dimensional supernova simulation. We conclude that the contribution of the alpha-rich freeze out to the production of the light elements B and Li is negligible in this model. However, we can confirm a substantial production of 138La and 180Ta in a self-consistent model. To investigate the production of 92Nb we also include its production in the neutrino-p process in the neutrino driven winds ejected from the hot proto-neutron star, including the effects of recently measured nuclear masses. We find that the production is also significantly affected by neutrino spallation reactions, in particular on 4He. With the contribution we find a 92Nb/93Nb ratio that is compatible with values found in primitive meteorites. Finally, an overview of the combined contribution of supernovae to the production of the elusive p-nuclei is given.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2018
Creators: Sieverding, Andre
Title: Neutrinos in Core-Collapse Supernova Nucleosynthesis
Language: English
Abstract:

The environment of supernova explosions is dominated like no other known scenario by neutrinos. In addition to their crucial role for initiating the explosion itself, neutrinos have an important impact on the production of chemical elements in supernovae. An extensive set of improved neutrino-induced reaction cross-sections is compiled, covering almost the whole nuclear chart. The majority of the cross-sections are calculated based on Random Phase Approximation (RPA) with single- and multi-particle evaporation channels based on statistical model codes. Individual cross-sections that are of particular importance, are derived from experimental data or dedicated shell model calculations, while previous results from the literature were also included.

With these cross-sections the $\nu$ process accompanying the explosive nucleosynthesis is studied with a one-dimensional supernova model based on progenitors of solar metallicity with initial main sequence masses between 13 and 30 solar masses. Modern supernova simulations find that neutrinos are less energetic than what was assumed in previous studies of the neutrino process. Using average neutrino energies compatible with modern simulations we investigate the production of 7Li, 11B, 19F, 138La and 180Ta and find reduced yields compared to previous studies assuming higher neutrino energies. As a result the yields of 11B, 138La and 180Ta are in agreement with their solar abundances, when contributions from other sources are to be taken into account. Implementing a set of neutrino-nucleus cross-sections that is complete in the sense that it includes reactions on all nuclei that are included in the nucleosynthesis calculations, allows to get an overview of the whole extend of process. As a results we can conclude that effects on stable nuclei that have not been discussed previously in the literature are limited to the order of 10%. Dependencies on stellar structure aspects are discussed in detail for the most relevant cases.

We also explore the impact of neutrino-nucleosynthesis on the production of the long-lived radioactive isotopes 22Na, 26Al and 36Cl. We find that the yield of 26Al is increased by a factor of 1.4 and 22Na is found to be efficiently produced in the Carbon-rich zones of some progenitors, providing a possible explanation for radiogenic 22Ne found in meteorites.

Furthermore, we show the importance of going beyond the standard description of supernova neutrino properties for nucleosynthesis by including the predictions of the neutrino signal from a sophisticated supernova simulation. This shows that the definition of an appropriately averaged neutrino temperature is difficult and underestimates the efficiency of the neutrino process because elevated neutrino energies for short periods of time are not appropriately captured. We also identify effects of the dynamics that have only minor consequences for the nucleosynthesis.

For the first time the neutrino process in the innermost supernova ejecta is addressed by using thermodynamic tracers from a two-dimensional supernova simulation. We conclude that the contribution of the alpha-rich freeze out to the production of the light elements B and Li is negligible in this model. However, we can confirm a substantial production of 138La and 180Ta in a self-consistent model. To investigate the production of 92Nb we also include its production in the neutrino-p process in the neutrino driven winds ejected from the hot proto-neutron star, including the effects of recently measured nuclear masses. We find that the production is also significantly affected by neutrino spallation reactions, in particular on 4He. With the contribution we find a 92Nb/93Nb ratio that is compatible with values found in primitive meteorites. Finally, an overview of the combined contribution of supernovae to the production of the elusive p-nuclei is given.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik > Theoretical Nuclear Astrophysics Group
Date Deposited: 05 Aug 2018 19:55
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7574
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-75742
Referees: Martinez-Pinedo, Prof. Dr. Gabriel and Langanke, Prof. Dr. Karlheinz
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 11 June 2018
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Supernova Explosionen sind wie kein anderes Szenario von Neutrinos bestimmt. Sie sind nicht nur entscheidend für die Einleitung der Explosion selbst, sondern haben auch einen wichtigen Einfluss auf die Produktion chemischer Elements in Supernovae. Ein umfangreicher Satz von Wirkungsquerschnitten für Neutrino-induzierte Reaktionen wurde zusammengestellt, der nun fast die ganze Nuklidkarte abdeckt. Die meisten davon wurden basierend auf der Random Phase Approximation (RPA) berechnet und kombiniert mit Evaporationskanälen für einzelne und mehrere Teilchen mit Hilfe des Statistischen Modells. Einzelne Wirkungsquerschnitte die von besonderer Bedeutung sind, wurden von experimentellen Daten hergeleitet oder nutzen die Ergebnisse von Schalenmodelrechnungen, während andere von früheren Ergebnissen aus der Literatur übernommen wurden. Mit diesen Wirkungsquerschnitten wurde der Neutrino-Prozess, der die explosive Nukleosynthese begleitet, mit eindimensionalen Supernovamodellen basierend auf Vorgängersternen von solarer Metalizität und anfänglichen Hauptreihenmassen zwischen 13 und 30 Sonnenmassen untersucht. Moderne Supernova Simulationen zeigen, dass Neutrinos weniger Energie tragen als in vorherigen Studien zum Neutrino-Prozess angenommen wurde. Mit mittleren Neutrino Energien die kompatibel mit modernen Simulationen sind, untersuchen wir die Produktion von 7Li, 11B, 19F, 138La und 180Ta, und finden eine reduzierten Beitrag im Vergleich zu vorherigen Studien, die von höheren Energien ausgingen. Dadurch ist die Produktion von 11B, 138La und 180Ta nun in Übereinstimmung mit den solaren Häufigkeiten, wenn man Beiträge von anderen Quellen berücksichtigt. Die Implementierung eines Satzes von Neutrino Reaktionen der vollständig ist, insofern dass Reaktionen an allen Kernen die in der Nukleosynthese Rechnung berücksichtigt werden, gibt einen Überblick über alle möglichen Effekte ohne von vornherein auf eine bestimmte Spezies zu konzentrieren. Außerdem erscheint es notwendig zu sein, einen solchen, vollständigen Ansatz zu wählen, um das ganze Spektrum von sekundären Effekten zu erfassen, d.h Nukleosynthese durch Teichen die von Neutrino-induzierten Reaktionen erst erzeugt werden. Mit diesem, nun vollständigen Satz von Reaktionen können wir feststellen, dass die Auswirkung auf stabile Kerne, die bisher noch nicht in der Literatur diskutiert wurden, auf die Größenordnung von 10% beschränkt sind. Die Abhängigkeiten von der stellaren Struktur werden für die wichtigsten Fälle im Detail diskutiert. Der Einfluss der Neutrino-induzierten Nukleosynthese auf die Produktion von den langlebigen radioaktive Isotopen 22Na, 26Al und 36Cl wird betrachtet. Die produzierte Masse an 26Al erhöht sich durch die Neutrinos um einen Faktor von höchstens 1.4 und 22Na wird in Kohlenstoffreichen Zonen einiger Sternmodelle sehr effektiv produziert, wodurch sich eine mögliche Erklärung für radiogenes 22Ne in Meteoriten ergibt. Das Verhältniss 36Cl/35Cl wie es in primordialen Meteoriten gefunden wird lässt sich ebenfalls mit den Ergebnissen erklären. Außerdem werden die Reakionsflüsse, die zu Nukleosynthese der (sehr) langlebigen Isotope 92Nb, 98Tc, 138La und 180Ta beitragen genau untersucht. Der Neutrino-Prozess alleine liefert kenen außreichenden Beitrag um das Verhälniss 92Nb/93Nb wie es in primordialen Meteoriten gefunden wird, zu erklären. Weiterhin wird gezeigt, dass es wichtig ist, über die einfache Standardbeschreibung der Spektren von Supernovaneutrinos hinauszugehen, indem die Vorhersagen einer Simulation für das Neutrino Signal verwendet werden. Dies zeigt, dass die Festlegung einer angemessenen mittleren Neutrino Energie problematisch ist und die Effektivität des Neutrino-Prozesses unterschätzt, da die Effekte von kurzzeitig erhöhten Energien durch einen gemittelten Wert nicht ausreichend repräsentiert werden können. Effekte der Dynamik des Neutrinosignals auf die Nukleosynthese werden identifiziert, zeigen allerdings keinen signifikanten Einfluss auf die integrierte Nukleosynthese. Zum ersten Mal wird zudem der Neutrino Prozess in den innersten Bereichen des Supernova Auswurfs betrachtet, indem die Nukleosynthese für thermodynamische Tracer einer selbstkonsistenten zweidimensionalen Supernova Simulation berechnet wird. Es zeigt sich, dass in diesem Model der Beitrag des alpha-reichen Ausfrierens auf die Produktion der leichten Elemente Bor und Lithium vernachlässigbar ist. Allerdings wird die Produktion von einem sustantiellen Maß an 138La and 180Ta nun basierend auf einem selbstkonsistenten Model bestätigt. Zur genaueren Untersuchung der Produktion von 92Nb berechnen wir ebenfalls den Neutrino-p Prozess in Neutrinogetriebenen Winden unter Berücksichtigung vor Kurzem experimentel bestimmter Kernmassen. Eine signifikante Menge von 92Nb kann produziert werden, die auch sensitiv zu Neutrino-induzierten Spallationsreaktionen, insbesondere an Helium, ist. Mit dem Beitrag des Neutrinogetriebenen Windes zur integrierten Nukleosynthese, lässt sich das Verhälniss 92Nb/93Nb gemessen in primordialen Meteoriten erklären. Abschließend wid ein Überblick über den kombinierten Beitrag von Supernovae zur Produktion der p-Nuklide gegeben.German
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