TU Darmstadt / ULB / TUprints

Structure of three-body hypernuclei

Hildenbrand, Fabian (2020):
Structure of three-body hypernuclei. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00014248,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Structure of three-body hypernuclei
Language: English
Abstract:

Hypernuclear physics offers a unique playground for understanding the physics of the strong interaction beyond the up- and down-quark sector. A particularly attractive feature is that hyperons, particles containing at least one strange quark, offer us an opportunity to probe nuclear interior without being affected by the Pauli principle. Due to the lack of two-body bound systems, three-body NNΛ systems take a prominent role for understanding hypernuclear physics. In recent years the focus has been on two particular systems, the hypertriton and the Λnn system in the isospin I=0 and I=1 sector respectively. Although the first has been known for many decades it is still not fully understood. Recent results by the STAR Collaboration question the binding energy established in the past. In addition experimental results for the hypertriton width vary over a large range and are therefore inconsistent. The hypertriton is considered to be a shallow S-wave bound state with a Λ separation energy of a few hundred keV at most.

The nature of the Λnn, however, remains controversial. In 2013 first results have shown evidence that this system might be bound, however the possibility of a resonance or a virtual state are also up for debate. Since typical momenta of these systems are small compared to the pion mass, we can utilize pionless effective field theory to explore these systems.

In the first part of this thesis we exploit this separation of scales within the systems in an effective field theory approach analyzing the structure of these hypernuclei. Effective field theory offers a unique model-independent approach with controllable uncertainties. Utilizing this method we calculate scattering properties for both systems. Since the scattering lengths of the two-body systems are large, both systems show universal behavior due to the Efimov effect. We therefore calculate universal relations for both systems, connecting different observables. In a next step we extend our efforts by calculating matter radii and wave functions.

In the second part of this work, we focus on the other open question about the lifetime of the hypertriton against the weak interaction. We calculate the four most important mesonic decay channels in a fundamental deuteron approximation. For this part, we utilize isospin symmetry to connect charged and uncharged channels. In light of the new resuls for the binding energy, we discuss the lifetime and related properties relating binding energy data to lifetime date. In addition we take recent results for the weak Λ decay parameters into consideration.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Hypernukleare Physik bietet einmalige Möglichkeiten die starke Wechselwirkung über den Up- und Down-Quarksektor hinausgehend zu verstehen. Besonders nützlich ist dabei, dass Hyperonen, Teilchen, welche aus mindestens einem Strange Quark bestehen, es erlauben Kernmaterie ohne den Einfluss des Pauli-Prinzips zu studieren. Da es keine gebundene Zwei-Teilchensysteme gibt, sind Drei-Teilchen NNΛ Systeme von herausstehender Bedeutung. In den letzten Jahren lag der Fokus insbesondere auf zwei Systemen, dem Hypertriton und dem Λnn im Isopin I=0 und I=1 Sektor. Das Erste ist bereits seit Jahrzehnten bekannt, allerdings immer noch nicht vollends verstanden. Vor kurzem publizierte Ergebnisse der STAR Kollaboration ziehen den über Jahre benutzten Wert für die Lambda-Separationsenergie in Zweifel. Zusätzlich sind experimentelle Ergebnisse für die Lebensdauer inkonsistent und decken einen großen Wertebereich ab. Das Hypertriton wird dabei als ein schwach gebundener S-Wellen-Zustand mit einer Lambda-Separationsenergie von maximal wenigen hundert keV angenommen.

Die Natur des Λnn wird hingegen kontrovers diskutiert. Im Jahr 2013 haben experimentelle Ergebnisse darauf hingewiesen, dass dieses System möglicherweise gebunden ist. Allerdings werden auch andere Möglichkeiten, wie zum Beispiel eine Resonanz oder ein virtueller Zustand diskutiert. Da typische Impulse klein gegenüber der Pion Masse sind, können wir pionenlose effektive Feldtheorie benutzten, um diese Systeme zu erforschen.

Im ersten Teil der Dissertation wird diese Skalenseparation ausgenutzt, um die Struktur dieser Hyperkerne zu analysieren. Effektive Feldtheorie bietet dabei einen Modell unabhängigen Ansatz mit kontrollierbaren Unsicherheiten an. Mithilfe dieser Methode werden Streuobservablen berechnet. Da Streulängen der involvierten Zwei-Teilchensyteme groß sind, zeigen beide Systeme den Efimov-Effekt und daher universelles Verhalten. Es werden daher universelle Korrelationen für beide Systeme berechnet, welche verschiedene Messgrößen miteinander verknüpfen. In einem weiteren Schritt wird die Analyse durch die Berechnung von Wellenfunktionen und Massenradien erweitert.

Im zweiten Teil der Arbeit wird der Fokus auf die offene Frage der Lebenszeit des Hypertritons bevor es durch die schwache Wechselwirkung zerfällt gelegt. In einer Näherung eines fundamentalen Deuterons werden die vier wichtigsten Zerfallskanäle berechnet. Dabei wird die Isospin Symmetrie von geladenen und ungeladen Kanälen ausgenutzt. Die Ergebnisse für die Lebensdauer und damit verbundender Eigenschaften werden dabei unter Berücksichtung der neuen Ergebnisse für die Bindungsenergie diskutiert. Dabei werden Verknüpfungen zwischen Resultaten für die Bindungsenergie und die Lebensdauer hergestellt. Zusätzlich wird der Einfluss der neuesten Ergebnisse für den schwachen Λ Zerfallsparameter beleuchtet.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 144 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik > Effective Field Theories for Strong Interactions and Ultracold Atoms
Date Deposited: 08 Dec 2020 09:47
Last Modified: 08 Dec 2020 16:05
DOI: 10.25534/tuprints-00014248
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-142483
Referees: Hammer, Prof. Dr. Hans-Werner ; Braun, Prof. Dr. Jens
Refereed: 17 June 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14248
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