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Electromagnetic Properties of Light Nuclei with Chiral Effective Field Theory Currents

Seutin, Rodric (2021):
Electromagnetic Properties of Light Nuclei with Chiral Effective Field Theory Currents. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00014649,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Electromagnetic Properties of Light Nuclei with Chiral Effective Field Theory Currents
Language: English
Abstract:

The ability to describe electromagnetic properties of nuclei is fundamental to our understand- ing of nuclear structure and dynamics. Experimental methods that measure these properties enable a clean way to isolate the nuclear physics content, because the relatively weak and well understood electromagnetic interaction is perturbative in nature and thus appropriately described. In this thesis we study electromagnetic properties of light nuclei within the framework of chiral effective field theory (EFT). The modern approach to low-energy nuclear physics is formulated by chiral EFT which describes the nucleus in terms of nucleon and pion degrees of freedom based on the symmetries of the underlying fundamental theory of quantum chromo- dynamics. It provides a systematically improvable calculation scheme and permits a unified description of the strong-interaction dynamics between nucleons and the interaction with an external probe. The nuclear component of such an interaction is described by nuclear currents. Both nuclear interactions and currents are consistently derived within chiral EFT and exhibit a naturally emerging many-body operator structure. Recent progress on the development of nuclear interactions and nuclear currents have set the stage for high-precision calculations complemented with systematic truncation uncertainty estimates. We study the deuteron, the triton, and the helion electromagnetic form factors with two- and three-nucleon chiral interactions developed in an order-by-order manner which allows us to compute the associated truncation uncertainty estimates. We find good agreement at low momentum transfers for the charge form factors and a consistent description of the experimental first minimum once the uncertainty estimates are incorporated. For the tri- nucleon magnetic form factors we find that leading two-body currents (2BCs), which arise from the exchange of a pion between a pair of nucleons, lead to better agreement with data over the entire momentum-transfer region. To obtain insights into the effect of various chiral interactions with and without three-nucleon forces and to quantify the impact of 2BCs on the zero-momentum-transfer region, we analyze the magnetic moments and the electromagnetic radii of these light nuclei. We observe that three-nucleon forces reduce the radii slightly and have a negligible effect on the magnetic moment, while 2BCs significantly modify both the magnetic radius and magnetic moment indicating that the exchange dynamics between the nucleons are essential for magnetic observables. As a first step towards a consistent study of other light nuclei, we examine the magnetic moment and a magnetic transition of 6Li which is the next light nucleus after the three- nucleon nuclei with nonvanishing magnetic ground-state properties. To achieve this, we include contributions to the magnetic dipole operator beyond leading order which arise from the leading 2BCs and we employ similarity renormalization group evolved chiral interactions to enhance the many-body convergence. Our results are in remarkable agreement with a new precision experiment after consistently evolving and including 2BCs to the magnetic dipole operator, thus advancing our understanding of nuclear interactions and electromagnetic currents in many-nucleon systems.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Fähigkeit, elektromagnetische Eigenschaften zu beschreiben, ist grundlegend für unser Verständnis von Kernstruktur und Kerndynamik. Experimentelle Methoden zum Messen dieser Eigenschaften ermöglichen es, den kernphysikalischen Inhalt zu isolieren, da die relativ schwache und gut verstandene stattfindende elektromagnetische Wechselwirkung perturbativer Natur ist und daher angemessen beschrieben wird. In der vorliegenden Dissertation untersuchen wir die elektromagnetischen Eigenschaften leichter Kerne im Rahmen der chiralen effektiven Feldtheorie (EFT). Der moderne Ansatz der Niederenergie-Kernphysik wird durch die chirale EFT formuliert, die den Kern in Form von Nukleonen und Pionen als Freiheitsgrade beschreibt, basierend auf den Symmetrien der zugrunde liegenden fundamentalen Theorie der Quantenchromodynamik. Sie ermöglicht ein systematisch verbesserbares Berechnungsschema und erlaubt eine einheitliche Beschreibung der Dynamik der starken Wechselwirkung zwischen Nukleonen und der Ankopplung externer Felder. Die Kernkomponente einer solchen Wechselwirkung wird durch Kernströme beschrieben. Sowohl die Kernkräfte als auch Ströme werden konsistent in der chiralen EFT hergeleitet und weisen eine natürlich entstehende Vielteilchenoperatorstruktur auf. Jüngste Fortschritte bei der Entwicklung von Kernkräften und Kernströmen haben die Voraussetzungen für hochpräzise Berechnungen geschaffen, welche durch systematische Abschätzungen der Trunkierungsunsicherheit ergänzt werden. Wir untersuchen die elektromagnetischen Formfaktoren des Deuterons, Tritons und des Helions mit Zweinukleonen und Dreinukleonen chiralen Wechselwirkungen. Die systematische Entwicklung dieser Kräfte erlaubt es uns, die zugehörigen Trunkierungsunsicherheitsabschätzungen zu berechnen. Wir finden gute Übereinstimmung der Ladungsformfaktoren bei niedrigen Impulsüberträgen und eine konsistente Beschreibung des experimentellen ersten Minimums, sobald die Unsicherheitsabschätzungen miteinbezogen sind. Für die magnetischen Trinukleonformfaktoren finden wir, dass führende Zweikörperströme (2BCs), die aus dem Austausch eines Pions zwischen einem Nukleonenpaar entstehen, für eine bessere Übereinstimmung mit den Daten über den gesamten Bereich des Impulsübertrags notwendig sind. Um Einblicke in die Wirkung verschiedener chiraler Wechselwirkungen mit und ohne Dreinukleonenkräfte zu erhalten und den Einfluss der 2BCs auf die Region mit null Impulstransfer zu quantifizieren, analysieren wir die magnetischen Momente und die elektromagnetischen Radien dieser leichten Kerne. Wir beobachten, dass Dreinukleonenkräfte die Radien geringfügig reduzieren und einen vernachlässigbaren Einfluss auf das magnetische Moment haben, während 2BCs sowohl den magnetischen Radius als auch das magnetische Moment signifikant modifizieren, was darauf hinweist, dass die Austauschdynamik zwischen den Nukleonen einen wesentlichen Beitrag für magnetische Eigenschaften darstellt. Als ersten Schritt zu einer konsistenten Untersuchung anderer leichter Kerne untersuchen wir das magnetische Moment und einen magnetischen Übergang von 6Li, welcher der nächste leichte Kern mit nicht verschwindenden magnetischen Grundzustandseigenschaften ist. Um dies zu erreichen, beziehen wir Beiträge zum magnetischen Dipoloperator jenseits der führenden Ordnung mit ein, die sich aus den führenden 2BCs ergeben, und verwenden Similarity Renormalization Group (SRG) transformierte chirale Wechselwirkungen, um die Vielteilchenkonvergenz zu verbessern. Unsere Ergebnisse stimmen in bemerkenswerter Weise mit einem neuen Präzisionsexperiment überein, nachdem wir die 2BCs konsistent SRG transformiert und in den magnetischen Dipoloperator einbezogen haben und fördern somit unser Verständnis der nuklearen Wechselwirkungen und der elektromagnetischen Ströme in Vielteilchensystemen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: ix, 175 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik
Date Deposited: 03 Mar 2021 11:11
Last Modified: 03 Mar 2021 11:11
DOI: 10.26083/tuprints-00014649
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-146498
Referees: Schwenk, Prof. Ph.D Achim ; Hebeler, Dr. habil. Kai
Refereed: 18 November 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14649
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