The astrophysical rapid neutron capture process or ' r process' of nucleosynthesis is believed to be responsible for the production of approximately half the heavy element abundances found in nature. This multifaceted problem remains one of the greatest open challenges in all of physics . Knowledge of nuclear physics properties such as masses, β -decay and neutron capture rates, as well as β -delayed neutron emission probabilities are critical inputs that go into calculations of r -process nucleosynthesis. While properties of nuclei near stability have been established, much still remains unknown regarding neutron-rich nuclei far from stability that may participate in the r process. Sensitivity studies gauge the astrophysical response of a change in nuclear physics input(s) which allows for the isolation of the most important nuclear properties that shape the final abundances observed in nature. This review summarizes the extent of recent sensitivity studies and highlights how these studies play a key role in facilitating new insight into the r process. The development of these tools promotes a focused effort for state-of-the-art measurements, motivates construction of new facilities and will ultimately move the community toward addressing the grand challenge of 'How were the elements from iron to uranium made?'.

Abstract In high-energy astrophysical processes involving compact objects, such as core-collapse supernovae or binary neutron star mergers, neutrinos play an important role in the synthesis of nuclides. Neutrinos in these environments can experience collective flavor oscillations driven by neutrino–neutrino interactions, including coherent forward scattering and incoherent (collisional) effects. Recently, there has been interest in exploring potential novel behaviors in collective oscillations of neutrinos by going beyond the one-particle effective or “mean-field” treatments. Here, we seek to explore implications of collective neutrino oscillations, in the mean-field treatment and beyond, for the nucleosynthesis yields in supernova environments with different astrophysical conditions and neutrino inputs. We find that collective oscillations can impact the operation of the ν p -process and r -process nucleosynthesis in supernovae. The potential impact is particularly strong in high-entropy, proton-rich conditions, where we find that neutrino interactions can nudge an initial ν p -process neutron-rich, resulting in a unique combination of proton-rich low-mass nuclei as well as neutron-rich high-mass nuclei. We describe this neutrino-induced neutron-capture process as the “ ν i -process.” In addition, nontrivial quantum correlations among neutrinos, if present significantly, could lead to different nuclide yields compared to the corresponding mean-field oscillation treatments, by virtue of modifying the evolution of the relevant one-body neutrino observables.

Abstract The simulation of heavy element nucleosynthesis requires input from yet-to-be-measured nuclear properties. The uncertainty in the values of these off-stability nuclear properties propagates to uncertainties in the predictions of elemental and isotopic abundances. However, for any given astrophysical explosion, there are many different trajectories, i.e., temperature and density histories, experienced by outflowing material, and thus different nuclear properties can come into play. We consider combined nucleosynthesis results from 460,000 trajectories from a black hole accretion disk and find the spread in elemental predictions due solely to unknown nuclear properties to be a factor of a few. We analyze this relative spread in model predictions due to nuclear variations and conclude that the uncertainties can be attributed to a combination of properties in a given region of the abundance pattern. We calculate a cross-correlation between mass changes and abundance changes to show how variations among the properties of participating nuclei may be explored. Our results provide further impetus for measurements of multiple quantities on individual short-lived neutron-rich isotopes at modern experimental facilities.