Study of neutron-rich β-delayed emitters relevant for understanding the formation of the r-process rare earth-peak around mass A~160

Abstract

(English) The r-process is responsible for the formation of nearly half of all nuclei heavier than iron. New elements are synthesized via the r-process, involving neutron-rich nuclei characterized by the emission of neutrons following beta decay. Precise network computations are crucial for understanding the astrophysical conditions of the r-process and replicating observed abundance distributions. These calculations rely heavily on data regarding nuclear structure, often based on theoretical estimates for isotopes that are not experimentally accessible. High-precision experimental data for isotopes far from stability play a crucial role in refining nuclear structure models, which, in turn, enhance the reliability of r-process network calculations. In this context, the beta-delayed neutrons at RIKE (BRIKEN) collaboration performed high-precision measurements of the half-lives and neutron emission probabilities of neutron-rich nuclides. The setup consisted of the Advanced Implantation Detector Array (AIDA) placed inside the BRIKEN neutron counter, an array of 3He neutron counters embedded in a polyethylene matrix. The experiment was performed in the Rare Isotope Beam Factory (RIBF) of the RIKEN Nishina Center (Japan). The present thesis is centered on the analysis of the BRIKEN RIBF-148 experiment, specifically for nuclei spanning the range from 146Ba to 162Nd; these are pivotal in the r-process nucleosynthesis of rare-earth elements. The findings of this research include 36 T1/2 values that are consistent with earlier experimental data. Of these, 13 measurements also provide a reduced uncertainty compared to previously reported values. For the P1n study, it was the first experiment in this region, with 22 of the 24 values being new measurements. Additionally, we developed a revised RHB+RQRPA nuclear structure model, incorporating several improvements. The model’s predictive capabilities were enhanced by refining its parameterization with the experimental data presented in this thesis. In the final part of this work, we discussed the preliminary astrophysical impact of these new experimental data and the refined nuclear model on r-process abundances in the REP region through nuclear reaction network calculations.

(Català) El procés r és el responsable de la formació de gairebé la meitat de tots els nuclis més pesants que el ferro. En aquest procés es sintetitzen nous elements, implicant nuclis rics en neutrons que es caracteritzen per l'emissió de neutrons després de la desintegració β. Els càlculs de xarxa precisos són crucials per a la comprensió de les condicions astrofísiques del procés r i per reproduir les distribucions d'abundància observades. Aquests càlculs depenen en gran manera de les dades de l'estructura nuclear, sovint basades en estimacions teòriques per a isòtops que no són accessibles experimentalment. Les dades experimentals d'alta precisió per a isòtops lluny de l'estabilitat tenen un paper crucial en la millora dels models d'estructura nuclear, la qual cosa, al seu torn, augmenta la fiabilitat dels càlculs de xarxa del procés r. En aquest context, la col·laboració β-delayed neutrons at RIKEN (BRIKEN) va realitzar mesures d'alta precisió del període de semidesintegració i les probabilitats d'emissió de neutrons de núclids rics en neutrons. El muntatge experimental consistia en l'Advanced Implantation Detector Array (AIDA), col·locat dins del comptador de neutrons BRIKEN, que és un conjunt de comptadors de neutrons de 3He integrats en una matriu de polietilè. L'experiment es va realitzar al Rare Isotope Beam Factory (RIBF) del RIKEN Nishina center al Japó. Aquesta tesi es centra en l'anàlisi de l'experiment BRIKEN RIBF-148, específicament en els nuclis entre el 146Ba al 162Nd. Aquests isòtops son clau en la nucleosíntesi d'elements que formen part de les terres rares del procés r. Les conclusions d'aquesta recerca inclouen 36 valors de T1/2 que són consistents amb dades experimentals anteriors. D'aquests, 13 mesures proporcionen una reducció en la incertesa en comparació amb els valors publicats prèviament. Pel que fa al P1n, aquest és el primer experiment en aquesta regió. Per tant, 22 dels 24 valors presentats en aquesta tesi són mesures fetes per primer cop. També hem desenvolupat una revisió d’un model RHB+RQRPA d'estructura nuclear, incorporant nombroses millores. Les capacitats predictives del model s'han millorat refinant la seva parametrització amb les dades experimentals presentades en aquesta tesi. Per concloure aquest treball, hem presentat una discussió preliminar de l'impacte astrofísic d'aquestes noves dades experimentals i del model nuclear refinat sobre les abundàncies del procés r a la regió de la REP, mitjançant càlculs de xarxa de reacció nuclear.

(Español) El proceso r es el responsable de la formación de casi la mitad de todos los núcleos más pesados que el hierro. En este proceso se sintetizan nuevos elementos, implicando núcleos ricos en neutrones que se caracterizan por la emisión de neutrones después de la desintegración β. Los cálculos de red precisos son cruciales para la comprensión de las condiciones astrofísicas del proceso r y para reproducir las distribuciones de abundancia observadas. Estos cálculos dependen en gran medida de los datos de la estructura nuclear, a menudo basados en estimaciones teóricas para isótopos que no son accesibles experimentalmente. Los datos experimentales de alta precisión para isótopos lejos de la estabilidad juegan un papel crucial en la mejora de los modelos de estructura nuclear, lo cual, a su vez, aumenta la fiabilidad de los cálculos de red del proceso r. En este contexto, la colaboración β-delayed neutrons at RIKEN (BRIKEN) realizó mediciones de alta precisión del período de semidesintegración y las probabilidades de emisión de neutrones de núclidos ricos en neutrones. El montaje experimental consistía en el Advanced Implantation Detector Array (AIDA), colocado dentro del contador de neutrones BRIKEN, que es un conjunto de contadores de neutrones de 3He integrados en una matriz de polietileno. El experimento se realizó en la Rare Isotope Beam Factory (RIBF) del centro RIKEN Nishina en Japón. Esta tesis se centra en el análisis del experimento BRIKEN RIBF-148, específicamente en los núcleos entre el 146Ba y el 162Nd. Estos isótopos son clave en la nucleosíntesis de elementos que forman parte de las tierras raras del proceso r. Las conclusiones de esta investigación incluyen 36 valores de T1/2 que son consistentes con datos experimentales anteriores. De estos, 13 mediciones proporcionan una reducción en la incertidumbre en comparación con los valores publicados previamente. En cuanto al P1n, este es el primer experimento en esta región. Por lo tanto, 22 de los 24 valores presentados en esta tesis son mediciones realizadas por primera vez. También hemos desarrollado una revisión de un modelo de RHB+RQRPA de estructura nuclear, incorporando numerosas mejoras. Las capacidades predictivas del modelo se han mejorado refinando su parametrización con los datos experimentales presentados en esta tesis. Para concluir este trabajo, hemos presentado una discusión preliminar del impacto astrofísico de estos nuevos datos experimentales y del modelo nuclear refinado sobre las abundancias del proceso r en la región de la REP, mediante cálculos de red de reacción nuclear.