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Skowronski J, Boeltzig A, Ciani GF, Csedreki L, Piatti D, Aliotta M, Ananna C, Barile F, Bemmerer D, Best A, Broggini C, Bruno CG, Caciolli A, Campostrini M, Cavanna F, Colombetti P, Compagnucci A, Corvisiero P, Davinson T, Depalo R, Di Leva A, Elekes Z, Ferraro F, Formicola A, Fülöp Z, Gervino G, Gesuè RM, Guglielmetti A, Gustavino C, Gyürky G, Imbriani G, Junker M, Lugaro M, Marigo P, Masha E, Menegazzo R, Paticchio V, Perrino R, Prati P, Rapagnani D, Rigato V, Schiavulli L, Sidhu RS, Straniero O, Szücs T, Zavatarelli S. Proton-Capture Rates on Carbon Isotopes and Their Impact on the Astrophysical ^{12}C/^{13}C Ratio. Phys Rev Lett 2023; 131:162701. [PMID: 37925687 DOI: 10.1103/physrevlett.131.162701] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 01/23/2023] [Revised: 05/03/2023] [Accepted: 07/13/2023] [Indexed: 11/07/2023]
Abstract
The ^{12}C/^{13}C ratio is a significant indicator of nucleosynthesis and mixing processes during hydrogen burning in stars. Its value mainly depends on the relative rates of the ^{12}C(p,γ)^{13}N and ^{13}C(p,γ)^{14}N reactions. Both reactions have been studied at the Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics (LUNA) in Italy down to the lowest energies to date (E_{c.m.}=60 keV) reaching for the first time the high energy tail of hydrogen burning in the shell of giant stars. Our cross sections, obtained with both prompt γ-ray detection and activation measurements, are the most precise to date with overall systematic uncertainties of 7%-8%. Compared with most of the literature, our results are systematically lower, by 25% for the ^{12}C(p,γ)^{13}N reaction and by 30% for ^{13}C(p,γ)^{14}N. We provide the most precise value up to now of 3.6±0.4 in the 20-140 MK range for the lowest possible ^{12}C/^{13}C ratio that can be produced during H burning in giant stars.
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Affiliation(s)
- J Skowronski
- Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Padova, 35131 Padova, Italy
- INFN, Sezione di Padova, 35131 Padova, Italy
| | - A Boeltzig
- Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, 01328 Dresden, Germany
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100 Assergi, Italy
- Dipartimento di Fisica "E. Pancini," Università degli Studi di Napoli "Federico II," 80125 Naples, Italy
| | - G F Ciani
- Dipartimento di Fisica "M. Merlin," Università degli Studi di Bari "A. Moro," 70125 Bari, Italy
- INFN, Sezione di Bari, 70125 Bari, Italy
| | - L Csedreki
- Institute for Nuclear Research (ATOMKI), P.O. Box 51, H-4001 Debrecen, Hungary
| | - D Piatti
- Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Padova, 35131 Padova, Italy
- INFN, Sezione di Padova, 35131 Padova, Italy
| | - M Aliotta
- SUPA, School of Physics and Astronomy, University of Edinburgh, EH9 3FD Edinburgh, United Kingdom
| | - C Ananna
- Dipartimento di Fisica "E. Pancini," Università degli Studi di Napoli "Federico II," 80125 Naples, Italy
- INFN, Sezione di Napoli, 80125 Naples, Italy
| | - F Barile
- Dipartimento di Fisica "M. Merlin," Università degli Studi di Bari "A. Moro," 70125 Bari, Italy
- INFN, Sezione di Bari, 70125 Bari, Italy
| | - D Bemmerer
- Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, 01328 Dresden, Germany
| | - A Best
- Dipartimento di Fisica "E. Pancini," Università degli Studi di Napoli "Federico II," 80125 Naples, Italy
- INFN, Sezione di Napoli, 80125 Naples, Italy
| | - C Broggini
- INFN, Sezione di Padova, 35131 Padova, Italy
| | - C G Bruno
- SUPA, School of Physics and Astronomy, University of Edinburgh, EH9 3FD Edinburgh, United Kingdom
| | - A Caciolli
- Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Padova, 35131 Padova, Italy
- INFN, Sezione di Padova, 35131 Padova, Italy
| | - M Campostrini
- Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Italy
| | - F Cavanna
- INFN, Sezione di Torino, 10125 Torino, Italy
| | - P Colombetti
- INFN, Sezione di Torino, 10125 Torino, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Torino, 10125 Torino, Italy
| | - A Compagnucci
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100 Assergi, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L'Aquila, Italy
| | - P Corvisiero
- Università degli Studi di Genova, 16146 Genova, Italy
- INFN, Sezione di Genova, 16146 Genova, Italy
| | - T Davinson
- SUPA, School of Physics and Astronomy, University of Edinburgh, EH9 3FD Edinburgh, United Kingdom
| | - R Depalo
- Università degli Studi di Milano, 20133 Milano, Italy
- INFN, Sezione di Milano, 20133 Milano, Italy
| | - A Di Leva
- Dipartimento di Fisica "E. Pancini," Università degli Studi di Napoli "Federico II," 80125 Naples, Italy
- INFN, Sezione di Napoli, 80125 Naples, Italy
| | - Z Elekes
- Institute for Nuclear Research (ATOMKI), P.O. Box 51, H-4001 Debrecen, Hungary
| | - F Ferraro
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100 Assergi, Italy
- Università degli Studi di Milano, 20133 Milano, Italy
| | | | - Zs Fülöp
- Institute for Nuclear Research (ATOMKI), P.O. Box 51, H-4001 Debrecen, Hungary
| | - G Gervino
- INFN, Sezione di Torino, 10125 Torino, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Torino, 10125 Torino, Italy
| | - R M Gesuè
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100 Assergi, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L'Aquila, Italy
| | - A Guglielmetti
- Università degli Studi di Milano, 20133 Milano, Italy
- INFN, Sezione di Milano, 20133 Milano, Italy
| | | | - Gy Gyürky
- Institute for Nuclear Research (ATOMKI), P.O. Box 51, H-4001 Debrecen, Hungary
| | - G Imbriani
- Dipartimento di Fisica "E. Pancini," Università degli Studi di Napoli "Federico II," 80125 Naples, Italy
- INFN, Sezione di Napoli, 80125 Naples, Italy
| | - M Junker
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100 Assergi, Italy
| | - M Lugaro
- Konkoly Observatory, Research Centre for Astronomy and Earth Sciences (CSFK), MTA Centre for Excellence, 1121 Budapest, Hungary
- ELTE Eötvös Loránd University, Institute of Physics, 1117 Budapest, Hungary
| | - P Marigo
- Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Padova, 35131 Padova, Italy
- INFN, Sezione di Padova, 35131 Padova, Italy
| | - E Masha
- Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, 01328 Dresden, Germany
- Università degli Studi di Milano, 20133 Milano, Italy
| | - R Menegazzo
- INFN, Sezione di Padova, 35131 Padova, Italy
| | | | - R Perrino
- INFN, Sezione di Bari, 70125 Bari, Italy
| | - P Prati
- Università degli Studi di Genova, 16146 Genova, Italy
- INFN, Sezione di Genova, 16146 Genova, Italy
| | - D Rapagnani
- Dipartimento di Fisica "E. Pancini," Università degli Studi di Napoli "Federico II," 80125 Naples, Italy
- INFN, Sezione di Napoli, 80125 Naples, Italy
| | - V Rigato
- Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Italy
| | - L Schiavulli
- Dipartimento di Fisica "M. Merlin," Università degli Studi di Bari "A. Moro," 70125 Bari, Italy
- INFN, Sezione di Bari, 70125 Bari, Italy
| | - R S Sidhu
- SUPA, School of Physics and Astronomy, University of Edinburgh, EH9 3FD Edinburgh, United Kingdom
| | - O Straniero
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Roma, Italy
- INAF-Osservatorio Astronomico d'Abruzzo, 64100, Teramo, Italy
| | - T Szücs
- Institute for Nuclear Research (ATOMKI), P.O. Box 51, H-4001 Debrecen, Hungary
| | - S Zavatarelli
- Università degli Studi di Genova, 16146 Genova, Italy
- INFN, Sezione di Genova, 16146 Genova, Italy
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