Universität zu Köln

Wilden, Svenja ORCID: 0000-0003-4983-8763 (2026). Astrophysical Reaction Rates from In-Beam γ-Ray Spectroscopy: Experimental Studies of Proton Capture Reactions on Stable Rb Isotopes. PhD thesis, Universität zu Köln.

PDF PhD_Thesis_Svenja_Wilden_reworked.pdf - Accepted Version Download (13MB)

Abstract

Cross sections are one of the key parameters for understanding nucleosynthesis in stars. Since the relevant energy ranges in stellar environments are very low and often involve exotic nuclei far from stability, it is often not possible to determine the reaction rates directly through experiments. Therefore, they are usually estimated by extrapolation or with the help of theoretical models. The statistical Hauser-Feshbach model, which is based on nuclear input parameters such as the nuclear level density, the γ-ray strength function, and the optical model potentials, is largely used to describe such processes. This work investigates the extent to which proton capture processes in the stable rubidium isotopes 85Rb and 87Rb can be described by the Hauser–Feshbach model. The γ-process, which occurs during supernova explosions, is currently considered to be the main mechanism for the nucleosynthesis of neutron-deficient p nuclei. Since the reaction network of this process mainly comprises photodisintegration reactions at unstable nuclei, the stellar reaction rates are largely calculated on the basis of theoretical models. However, the accuracy of these predictions can be significantly improved if the underlying nuclear models are verified by experimentally determined absolute cross sections. As part of this work, two proton-induced reactions on 85Rb and 87Rb were therefore investigated using the in-beam method at the HORUS spectrometer at the University of Cologne. Since no published data on the cross sections of these reactions existed to date, the present measurements significantly expand the database on proton-induced reactions. In particular, the measurement on 87Rb contributes to the near completion of the systematic investigation of the N = 50 isotone chain. Challenges arose in particular due to target stability, background suppression, and the low count rates in the relevant energy range. For both rubidium isotopes, the measured cross sections show significant deviations from the default predictions of the Hauser–Feshbach model. The results suggest that the proton optical model potential in particular is responsible for these discrepancies. This is supported by a comparative analysis of (p,n) reaction data, which also cannot be reproduced with the default settings. Changes to the other model parameters — such as the nuclear level density or the γ-ray strength function — did not lead to any significant improvement in the theoretical description. The results obtained in this work thus provide important experimental clues for refining optical model potentials in the mass region around A ≈ 85. They form a basis for future work in which scattering and reaction measurements will further reduce model uncertainties and contribute to more precise astrophysical reaction rates.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Wirkungsquerschnitte stellen eine der zentralen Größen zum Verständnis der Nukleosynthese in Sternen dar. Da die relevanten Energiebereiche in stellaren Umgebungen sehr niedrig sind und häufig exotische Kerne fernab der Stabilität beteiligt sind, ist eine direkte experimentelle Bestimmung der Reaktionsraten oftmals nicht möglich. Daher werden diese in der Regel durch Extrapolationen oder mit Hilfe theoretischer Modelle abgeschätzt. Für die Beschreibung solcher Prozesse wird größtenteils das statistische Hauser-Feshbach-Modell verwendet, das auf nuklearen Eingangsparametern wie der Kernzustandsdichte, der γ-Stärkefunktion und den optischen Modellpotentialen basiert. Diese Arbeit untersucht, inwieweit Protoneneinfangsprozesse an den stabilen Rubidiumisotopen 85Rb und 87Rb durch das Hauser-Feshbach-Modell beschrieben werden können. Der γ-Prozess, der während Supernova-Explosionen abläuft, gilt nach aktuellem Stand als Hauptmechanismus für die Nukleosynthese der neutronenarmen p-Kerne. Da das Reaktionsnetzwerk dieses Prozesses überwiegend Photodesintegrationsreaktionen an instabilen Kernen umfasst, werden die stellaren Reaktionsraten weitgehend auf Basis theoretischer Modelle berechnet. Die Genauigkeit dieser Vorhersagen kann jedoch entscheidend verbessert werden, wenn die zugrunde liegenden nuklearen Modelle durch experimentell bestimmte absolute Wirkungsquerschnitte überprüft werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher zwei protoneninduzierte Reaktionen an 85Rb und 87Rb mit Hilfe der In-Beam-Methode am HORUS-Spektrometer der Universität zu Köln untersucht. Da bislang keine veröffentlichten Daten zu den Wirkungsquerschnitten dieser Reaktionen existierten, erweitern die vorliegenden Messungen die Datenbasis zu protoneninduzierten Reaktionen erheblich. Insbesondere trägt die Messung an 87Rb dazu bei, die systematische Untersuchung der N = 50 Isotonenkette nahezu abzuschließen. Herausforderungen ergaben sich insbesondere durch Targetstabilität, Untergrundunterdrückung und die niedrigen Zählraten im relevanten Energiebereich. Für beide Rubidiumisotope zeigen die gemessenen Wirkungsquerschnitte deutliche Abweichungen von den Standardvorhersagen des Hauser-Feshbach-Modells. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass insbesondere das Protonen-Optische-Modellpotential für diese Diskrepanzen verantwortlich ist. Dies wird durch vergleichende Analysen von (p,n)-Reaktionsdaten gestützt, die ebenfalls nicht mit den Standardeinstellungen reproduziert werden können. Änderungen der übrigen Modellparameter – wie der Kernzustandsdichte oder der γ-Stärkefunktion – führten hingegen zu keiner signifikanten Verbesserung der theoretischen Beschreibung. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse liefern somit wichtige experimentelle Anhaltspunkte für die Verfeinerung optischer Modellpotentiale im Massenbereich um A ≈ 85. Sie bilden eine Grundlage für zukünftige Arbeiten, bei denen gezielte Streu- und Reaktionsmessungen die Modellunsicherheiten weiter reduzieren und zu präziseren astrophysikalischen Reaktionsraten beitragen sollen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Wilden, Svenja swilden@ikp.uni-koeln.de https://orcid.org/0000-0003-4983-8763 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-801335
Date:	2026
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Nuclear Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Kernphysik; Nukleare Astrophysik; Kernreaktion; HORUS; (p,gamma); Wirkungsquerschnitte; Nukleosynthese; Hauser-Feshbach; Hauser-Feshbach-Modell; Optisches Modell Potential; p-Prozess; gamma-Prozess German Nuclear Physics; Nuclear Astrophysics; nuclear reactions; HORUS; (p,gamma); cross sections; nucleosynthesis; Hauser-Feshbach; Hauser-Feshbach-Model; optical model potential; p process; gamma process English
Date of oral exam:	6 February 2026
Referee:	Name Academic Title Zilges, Andreas Prof. Dr. Litvinov, Yury Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/80133