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12C(alpha,gamma)16O - die Schlüsselreaktion im Heliumbrennen der Sterne
(2002) Kunz, Ralf; Kneissl, Ulrich (Prof. Dr. rer. nat.)
Die Reaktion 12C(alpha,gamma)16O nimmt eine Schlüsselstellung für die Nukleosynthese und bei der Durchführung von Sternmodellrechnungen ein. Von Astrophysikern, die solche Rechnungen durchführen, wurde wiederholt eine genauere experimentelle Bestimmung der Reaktionsrate angefordert, denn ihre Unsicherheiten wirken sich auf die gesamten Nukleosyntheserechnungen aus. Man sieht in der Reaktion 12C(alpha,gamma)16O die wichtigste zu bestimmende Reaktion der nuklearen Astrophysik neben Ne22(alpha,n)Mg25. Deshalb wurde diese Reaktion im Energiebereich Ecm = 0.95 MeV - 2.79 MeV mit weit empfindlicheren Detektoren als bei vorherigen Experimenten neu untersucht. Um eine für die Extrapolation in den astrophysikalisch relevanten Energiebereich um Ecm = 0.3 MeV notwendige Trennung von E1- und E2-Anteil des Wirkungsquerschnittes zu erreichen, wurden im gesamten Energiebereich Winkelverteilungen gemessen. Dies wurde ermöglicht, indem eine dichtgepackte Anordnung aus 3-4 großen Reinstgermaniumdetektoren mit aktiver Abschirmung aus BGO auf einem Drehtisch um das Target aufgestellt wurde. Hierdurch konnten Winkelverteilungen mit 8 bzw. 9 Datenpunkten aufgenommen werden, was genügend Information für eine zuverlässige Bestimmung des E1- und E2-Anteils beim alpha-Einfang liefert. Die Extrapolation in den astrophysikalischen Energiebereich wurde mit der R-Matrix-Methode für E1- und E2-Anteil getrennt durchgeführt. Für den E1-Anteil wurde ein 3-Level-R-Matrix-Fit an die Daten aus dieser Arbeit, an Daten aus Experimenten zur elastischen Streuung und dem beta-verzögerten \alpha-Zerfall von 16N durchgeführt. Dabei wurden alle möglichen Kombinationen für die Interferenzen der Zustände im (alpha,gamma)-Kanal separat behandelt und für den Extrapolationswert der beste Fit ausgewählt. Der E2-Anteil wurde erstmalig durch einen 5-Level-R-Matrix-Fit an die Daten aus dieser Arbeit und an Daten aus Experimenten zur elastischen Streuung beschrieben. Auch hier wurden die Interferenzen getrennt behandelt und der Extrapolationswert aus dem besten Fit extrahiert. Für die S-Faktoren ergeben sich die Werte SE1(0.3 MeV) = 76 +- 20 keV b und SE2(0.3 MeV) = 85 +- 30 keV b. Für die Kaskadenübergänge, also den gamma-Einfang in angeregte Zustände des 16O-Kerns, konnten die Anregungskurven nur aus den zugehörigen Folgeübergängen bestimmt werden. Als Extrapolationswert für den astrophysikalisch relevanten Energiebereich ergibt sich Scasc(0.3 MeV) < 8 keV b als Grenzwert. Aus den R-Matrix-Fits wurde durch numerische Integration die astrophysikalische Reaktionsrate im Temperaturbereich 0.001 <= T9 <= 10 gewonnen. Zusätzlich zu den R-Matrix-Fits für den E1- und E2-Anteil wurden sämtliche bekannten gamma-Übergänge durch Breit-Wigner-Kurven mit energieabhängigen Breiten berücksichtigt. Auch diese Kurven wurden numerisch integriert. Die astrophysikalische Reaktionsrate von 12C(alpha,gamma)16O wird tabellarisch und außerdem mit zwei unterschiedlichen analytischen Formeln wiedergegeben, wie sie heutzutage in den theoretischen Modellen gebräuchlich sind. Sie gelten im Temperaturbereich 0.001 <= T9 <= 10 bzw. 0.02 <= T9 <= 10 und haben eine Genauigkeit von 8% bzw. 12%.