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Electroweak Properties of Halo Nuclei in Effective Field Theory

Elkamhawy, Wael (2021):
Electroweak Properties of Halo Nuclei in Effective Field Theory. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00019313,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Electroweak Properties of Halo Nuclei in Effective Field Theory
Language: English
Abstract:

The exploration of atomic nuclei across the nuclear landscape poses a great challenge in nuclear theory. In this thesis, we investigate nuclei on the nuclear chart for which the effective number of degrees of freedom is significantly smaller than the number of nucleons. This phenomenon is called clustering and becomes extreme for so-called halo nuclei. These exotic nuclei occur along the neutron and proton driplines far from the valley of stability. They exhibit a scale separation apparent through the small separation energy of the loosely bound valence nucleons in contrast to the high binding and excitation energies of the core. By exploiting this scale separation, we construct an effective field theory (EFT) called Halo EFT which allows to describe these systems in a controlled and systematically improvable manner.

In the first part, we investigate the one-neutron halo structures within ¹⁵C. They appear in the ground 1/2⁺ and in the first excited 5/2⁺ state. The ground state is predominantly bound in an S-wave while the 5/2⁺ excited state is predominantly bound in a D-wave. Within Halo EFT, using standard Cartesian coordinates, we discuss static electromagnetic properties as well as electromagnetic transitions in halo nuclei and apply our results to ¹⁵C. Since our results are universal, we are able to compare them to ab initio results. This possibility enables us to determine unknown low-energy constants, in turn increasing the predictive power of our Halo EFT.

The second system is the one-neutron halo nucleus ³¹Ne which is bound in a P-wave. In this case, we construct a Halo EFT using a spherical basis, an approach ideally suited for the inclusion of halo states beyond the S-wave. Thereby, we investigate the electromagnetic E1 breakup reaction into the continuum consisting of the neutron and ³⁰Ne core. Additionally, we provide results for static properties and discuss the deformation of ³¹Ne due to the non-vanishing quadrupole moment.

The third part is a pilot study of the weak decay of the valence neutron of the halo nucleus ¹¹Be into the continuum within Halo EFT. This process, denoted ¹¹Be → ¹⁰Be + p + e⁻ + ν̅ₑ, is called beta-delayed proton emission. The experimental determination of the branching ratio for this decay remains an unsolved problem due to inconsistent measurements in different experiments. We calculate the rate of this rare decay with a robust uncertainty estimate. We also discuss the impact of a recently discovered resonance in ¹¹B on the branching ratio and compare it to different experimental results.

In the fourth and final part of this thesis, we investigate the universal behavior of weakly bound charged systems in three- and one-dimensional space. The focus lies on the study of one-proton halo nuclei bound in an S-wave. In particular, the impact of the repulsive long-ranged Coulomb force is analyzed. It introduces an additional length scale D (or momentum scale kᴄ). We classify universal regimes characterized by the different hierarchies of the Coulomb-modified scattering length aᴄ and D.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Erforschung von Atomkernen über die gesamte Nuklidkarte hinweg stellt eine große Herausforderung in der theoretischen Kernphysik dar. In dieser Arbeit werden Kerne studiert, deren Anzahl effektiver Freiheitsgrade signifikant kleiner ist als die Anzahl der Nukleonen. Dieses Phänomen nennt sich „Clustering“ und ist für sogenannte Halokerne stark ausgeprägt. Diese exotischen Kerne finden sich entlang der Neutronen- und Protonendripline weit entfernt vom Tal der Stabilität. Des Weiteren weisen sie eine Skalenseparation auf, die durch die kleine Separationsenergie des schwach gebundenen Valenznukleons im Gegensatz zu den hohen Bindungs- und Anregungsenergien des verbleibenden Kerns gegeben ist. Durch Ausnutzen dieser Skalenseparation wird eine effektive Feldtheorie (EFT) namens Halo EFT konstruiert. Damit wird eine Beschreibung dieser Systeme auf eine kontrollierte und systematisch verbesserbare Art und Weise ermöglicht.

Zunächst werden die Ein-Neutron-Halostrukturen im Kern ¹⁵C untersucht. Diese kommen im 1/2⁺ Grundzustand sowie im ersten angeregten 5/2⁺ Zustand vor. Der Grundzustand ist überwiegend in einer S-Welle gebunden, während der 5/2⁺ angeregte Zustand überwiegend in einer D-Welle gebunden ist. Mittels Halo-EFT und den üblichen kartesischen Koordinaten werden statische elektromagnetische Eigenschaften sowie elektromagnetische Übergänge in Halokerne untersucht und die Ergebnisse auf den Kern ¹⁵C angewandt. Da die Ergebnisse universell sind, können diese mit ab initio Resultaten verglichen werden. Dies ermöglicht die Bestimmung weiterer unbekannter Niederenergiekonstanten, wodurch die Vorhersagekraft der Halo-EFT steigt.

Das zweite System ist der Ein-Neutron-Halokern ³¹Ne, welcher in einer P-Welle gebunden ist. In diesem Fall wird eine Halo-EFT mit sphärischen Koordinaten konstruiert. Es zeigt sich, dass diese ideal für die Einbeziehung von Halozuständen, die über die S-Welle hinausgehen, geeignet ist. Dabei wird die elektromagnetische E1-Aufbruchsreaktion ins Kontinuum bestehend aus Neutron und ³⁰Ne-Kern untersucht. Zusätzlich werden die Ergebnisse für statische Eigenschaften von ³¹Ne angegeben sowie die Deformation aufgrund des nicht-verschwindenden Quadrupolmoments diskutiert.

Der dritte Teil der Arbeit ist eine Pilotstudie des schwachen Zerfalls des Valenzneutrons des Halokerns ¹¹Be ins Kontinuum. Dieser Prozess, geschrieben als ¹¹Be → ¹⁰Be + p + e⁻ + ν̅ₑ, wird auch „beta-delayed proton emission“ genannt. Die experimentelle Bestimmung des Verzweigungsverhältnisses dieses Zerfalls von ¹¹Be bleibt aufgrund von inkonsistenten Messungen in verschiedenen Experimenten ein ungelöstes Problem. In dieser Arbeit wird die Rate des seltenen Zerfalls inklusive einer zuverlässigen Unsicherheitsabschätzung berechnet. Außerdem wird der Einfluss einer neu gefundenen Resonanz in ¹¹B auf das Verzweigungsverhältnis diskutiert und schließlich mit experimentellen Ergebnissen verglichen.

Im letzten Teil wird das universelle Verhalten von schwach gebundenen, geladenen Systemen in drei sowie einer Raumdimension studiert. Der Fokus liegt auf die Untersuchung von Ein-Proton-Halokernen, welche in einer S-Welle gebunden sind. Dabei wird der Einfluss der abstoßenden langreichweitigen Coulombkraft analysiert. Diese führt eine zusätzliche Längenskala D (beziehungsweise eine Impulsskala kᴄ) ein. Es werden verschiedene universelle Bereiche aufgrund der unterschiedlichen Hierarchien der Coulomb-modifizierten Streulänge aᴄ und D klassifiziert.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 114 Seiten
Classification DDC: 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: 31 Aug 2021 12:02
Last Modified: 31 Aug 2021 12:02
DOI: 10.26083/tuprints-00019313
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-193135
Referees: Hammer, Prof. Dr. Hans-Werner ; Schwenk, Prof. Ph.D Achim
Refereed: 17 February 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19313
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