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Chiral Three-Nucleon Interactions in Ab-Initio Nuclear Structure and Reactions

Langhammer, Joachim :
Chiral Three-Nucleon Interactions in Ab-Initio Nuclear Structure and Reactions.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives, 2.5.

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Chiral Three-Nucleon Interactions in Ab-Initio Nuclear Structure and Reactions
Language: English

The prediction of nuclear structure and reaction observables based on nuclear Hamil- tonians including two- and three-nucleon (NN+3N) interactions derived from chiral effective field theory constitutes a challenging task for ab-initio nuclear theory. In particular, the consistent inclusion of 3N interactions requires formal extensions of the many-body methods and, at the same time, causes a significant increase of the computational cost. This work presents the necessary steps for the inclusion and the subsequent application of 3N interactions in different ab-initio nuclear structure and reaction approaches. The first part is dedicated to the preparation of the chiral nuclear forces before they enter the many-body methods. It addresses the similarity renormalization group (SRG) as a tool to soften the initial chiral interactions and its generalization to consistently include 3N interactions. Moreover, the technically important 3N matrix-element management in a convenient basis for the subsequent many-body methods including an efficient storage scheme is discussed. In addition, a possibility to derive approximative schemes for 3N interactions using normal ordering is presented. In the second part the SRG-evolved chiral NN+3N Hamiltonians are applied in nuclear structure calculations using the importance truncated no-core shell model (IT-NCSM) as well as coupled-cluster theory. The impact of SRG-induced and chiral 3N interactions on ground-state energies and low-energy spectra of different p -shell nuclei is studied, includ- ing a sensitivity analysis concerning uncertainties of the chiral interactions in the 12C and 10B spectra. Furthermore, the first ab-initio study of even oxygen isotopes with explicit 3N interactions is presented, and by means of the normal-ordered two-body approximation the ground-state energy systematics of selected closed-shell nuclei throughout the calcium, nickel, and tin isotopic chains are obtained in qualitative agreement with experiment. The third part of this work focuses on 3N interactions in ab-initio nuclear scattering approaches. This includes a detailed discussion of the inclusion of 3N interactions in the no-core shell model combined with the resonating-group method (NCSM/RGM) with emphasis on the ability to treat targets beyond the lightest nuclei. The extended formalism is then applied to nucleon-4He scattering, where the 3N interaction overall improves scattering phase shifts, differential cross sections and analyzing powers. Finally, the no-core shell model with continuum approach, which constitutes a unified ab-initio approach to bound and scattering states resulting from the combination of the NCSM and the NCSM/RGM, is generalized to 3N interactions and applied to the neutron-8Be system to study the impact of the continuum on the 9Be energy levels. The results demonstrate the importance of the consistent treatment of continuum states.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ab-initio Vorhersagen von Kernstruktur- und Kernreaktionsobservablen, basierend auf Zwei- und Drei-Nukleonen (NN+3N) Wechselwirkungen hergeleitet aus chiraler effektiver Feldtheorie, stellen eine Herausforderung dar. Insbesondere die Berücksichtigung von 3N Wechselwirkungen verlangt formale Erweiterungen der Vielteilchenmethoden und erhöht den Rechenaufwand signifikant. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Einbeziehung von 3N Wechselwirkungen in ab-initio Kernstruktur- und Kernreaktionsmethoden. Der erste Teil der Arbeit diskutiert vorbereitende Schritte zur Einbeziehung der chi- ralen 3N Wechselwirkungen. Diese umfassen die technisch wichtige Handhabung von 3N Wechselwirkungsmatrixelementen in geeigneten Basen, sowie ein zugehöriges, effizientes Speicherschema. Desweiteren wird die Similarity Renormalization Group (SRG) Trans- formation zur Milderung der starken kurzreichweitigen Korrelationen mit konsistenter Berücksichtigung der 3N Wechselwirkungen diskutiert. Außerdem werden Näherungen der 3N Wechselwirkung im Rahmen des Formalismus der Normalordnung vorgestellt. Der zweite Teil behandelt die Anwendung der SRG-transformierten chiralen NN+3N Wechselwirkungen in Kernstrukturrechnungen mit Hilfe des Importance-Trunkierten No- Core Schalenmodells (IT-NCSM), sowie der Coupled-Cluster Theorie. Die Effekte von SRG- induzierten sowie von chiralen 3N Wechselwirkungen auf Grundzustands- und Anregungs- energien von Atomkernen der p-Schale, inklusive der Studie von Unsicherheiten der chiralen Wechselwirkungen in 12C und 10B Spektren, werden untersucht. Darüberhinaus wer- den erste ab-intio Berechnungen für Sauerstoffisotope gerader Massenzahl mit expliziten 3N Wechselwirkungen vorgestellt. Desweiteren zeigt die Systematik der Grundzustandsenergien für ausgewählte Atomkerne mit Schalenabschlüssen der Kalzium-, Nickel- und Zinn-Isotopenketten mit Berücksichtigung chiraler 3N Wechselwirkungen im Rahmen der Normalordnungsnäherung qualitative Übereinstimmung mit experimentellen Daten. Im dritten Teil werden ab-initio Vorhersagen nuklearer Streuprozesse insbesondere mit Streuzentren jenseits der leichtesten Atomkerne behandelt. Die Einbeziehung von 3N Wechselwirkungen in die Kombination aus No-Core Schalenmodell und der Resonat- ing Group Method (NCSM/RGM) wird im Detail diskutiert. Die anschließende Untersuchung von Nukleon-4He Streuung zeigt eine Verbesserung der Übereinstimmung von Streuphasen, differentiellen Wirkungsquerschnitten und Analysierstärken mit experimen- tellen Daten durch die 3N Wechselwirkung. Schließlich wird der Formalismus des No- Core Schalenmodells mit Kontinuum, eine Kombination von NCSM und NCSM/RGM, zur Berücksichtigung von 3N Wechselwirkungen erweitert. Die Anwendung auf Neutron-8Be demonstriert den Einfluss der konsistenten Beschreibung von Kontinuumszuständen an- hand der 9Be Energieniveaus.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 21 May 2014 08:19
Last Modified: 21 May 2014 08:19
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-39459
Referees: Roth, Prof. Dr. Robert and Wambach, Prof. Dr. Jochen
Refereed: 23 April 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3945
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