TU Darmstadt / ULB / TUprints

Evolved Chiral Hamiltonians at the Three-Body Level and Beyond

Calci, Angelo :
Evolved Chiral Hamiltonians at the Three-Body Level and Beyond.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

[img]
Preview
Text
PhD_Thesis_Calci.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives, 2.5.

Download (14MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Evolved Chiral Hamiltonians at the Three-Body Level and Beyond
Language: English
Abstract:

Based on the fundamental symmetries of QCD, chiral effective field theory (EFT) provides two- (NN), three- (3N), four- (4N), and many-nucleon interactions in a consistent and systematic scheme. Recent developments to construct chiral NN+3N interactions at different chiral orders and regularizations enable exciting nuclear structure investigations as well as a quantification of the fundamental uncertainties resulting from the chiral expansion and regularization.

We present the complete toolchain to employ the present and future chiral NN, 3N, and 4N interactions in nuclear structure calculations and emphasize technical developments in the three- and four-body space, such as the similarity renormalization group (SRG), the frequency conversion, and the transformation to the JT-coupled scheme. We study the predictions of the chiral NN+3N interactions in ab initio nuclear structure calculations with the importance-truncated no-core shell model and coupled-cluster approach. We demonstrate that the inclusion of chiral 3N forces improves the overall agreement with experiment for excitation energies of p-shell nuclei and it qualitatively reproduces the systematics of nuclear binding energies throughout the nuclear chart up to heavy tin isotopes. In this context it is necessary to introduce truncations in the three-body model space and we carefully analyze their impact and confirm the reliability of the reported results.

The SRG evolution induces many-nucleon forces that generally cannot be included in the calculations and constitute a major limitation for the applicability of SRG-evolved chiral forces. We study the origin and effect of the induced many-nucleon forces and propose a modification of the interaction, which suppresses the induced beyond-3N forces. This enables applications of the chiral interactions far beyond the mid-p shell. Furthermore, we test alternative formulations of SRG generators aiming to prevent the induced many-body forces from the outset. The extension of the SRG evolution and matrix-element treatment to the four-body space allows for an explicit inclusion of induced and initial 4N forces. We discuss the truncations and limitations in the four-body space and present first ab initio nuclear structure calculations for p-shell nuclei with induced 4N forces.

By changing the parameters of the local 3N force we perform a comprehensive sensitivity analysis for nuclear spectra in the p shell that provides constraints for the construction of chiral interactions. Moreover, we identify certain correlations that prevent an accurate description of the experimental results by an adjustments of the local 3N force at N2LO. We report first results obtained with a next-generation NN+3N interaction at N3LO and compare the spectra obtained with several chiral interactions at different chiral orders, varying the regulator function and cutoff. These studies present a first step towards a systematic uncertainty quantification for the chiral forces and we show that p-shell spectroscopy is a sensitive diagnostic for chiral 3N interactions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Basierend auf den fundamentalen Symmetrien der QCD ermöglicht die chirale effective Feldtheorie (EFT) einen konsistenten und systematischen Zugang zu Zwei- (NN), Drei- (3N), Vier- (4N) und Mehrteilchen Wechselwirkungen. Die aktuellen Entwicklungen von chiralen NN+3N Wechselwirkungen für verschiedene chirale Ordnungen und Regularisierungen ermöglichen eine Vielzahl von Kernstrukturuntersuchungen und erlauben die Bestimmung der fundamentalen Unsicherheit die aus der chiralen Ordnungsentwicklung und Regularisierung stammen. Wir erarbeiten die Techniken um die heutigen sowie die zukünftigen chiralen NN, 3N und 4N Wechselwirkungen in Kernstrukturrechnungen zu verwenden und setzen einen besonderen Schwerpunkt auf die Innovationen im Drei- und Vierteilchen Raum zu denen die Similarity Renormalization Group (SRG), die Frequenzkonversion und die Transformation zum JT-gekoppelten Schema gehören. Wir untersuchen die Vorhersagen der chiralen NN+3N Wechselwirkungen in ab initio Kernstrukturrechnungen mit dem Importance-Truncated No-Core Schalen Modell und der Coupled-Cluster Methode. Es wird demonstriert, dass das Einbinden von chiralen 3N Kräften die experimentelle Übereinstimmung von Anregungsenergien in der p-Schale insgesamt verbessert. Zudem erlauben die 3N Kräfte eine qualitative Reproduktion der Grundzustandsenergie-Systematik über einen weiten Bereich der Nuklidkarte hinweg, bis hin zu den schweren Zinn-Isotopen. In diesem Zusammenhang ist es nötig Trunkierungen des Dreiteilchen-Modellraumes einzuführen. Wir analysieren den Einfluss dieser Trunkierungen und bestätigen die Zuverlässigkeit der Ergebnisse, die in dieser Arbeit präsentiert werden. Die SRG-Evolution induziert 4N Kräfte, die im Allgemeinen nicht in Vielteilchenrechnungen verwendet werden können. Die induzierten Kräfte stellen die Hauptursache dar für die Beschränkung des Anwendungsbereiches der SRG-evolvierten chiralen Wechselwirkungen. Wir untersuchen den Ursprung und den Effekt der induzierten Vielteilchenkräfte und stellen eine Modifikation der Wechselwirkung vor, welche die induzierten Kräfte unterdrückt. Diese Modifikation ermöglicht eine Anwendung der chiralen Wechselwirkungen weit über die Kerne der mittleren p-Schale hinaus. Des Weiteren untersuchen wir alternative Konstruktionen des SRG Generators mit Hinblick auf eine Vermeidung der induzierten Vielteilchenkräfte. Die Erweiterung der SRG Evolution und der Matrixelement-Behandlung auf den Vierteilchenraum erlauben eine explizite Verwendung der induzierten und genuinen 4N Kräfte. Wir diskutieren die Trunkierungen und Grenzen der Entwicklungen im Vierteilchenraum und präsentieren die ersten ab initio Kernstrukturrechnungen für Kerne der p-Schale mit induzierten 4N Kräften. Mittels einer Variation der Parameter in der lokalen 3N Kraft betreiben wir eine ausführliche Sensitivitätsanalyse der Spektren von p-Schalen Kernen. Aus dieser Analyse werden wichtige Hinweise für die Konstruktion der chiralen Wechselwirkungen gewonnen. Zudem identifizieren wir Korrelationen für bestimmte Observablen gegenüber Variationen in der 3N Kraft. Die Korrelationen verhindern eine quantitative Beschreibung der experimentellen Daten durch eine Anpassung der lokalen 3N Kraft bis N2LO. Schließlich präsentieren wir die ersten Resultate mit der nächsten Generation von chiralen NN+3N Wechselwirkungen die konsistent bis N3LO entwickelt werden und vergleichen Spektren für verschiedenen chiralen Wechselwirkungen mit unterschiedlichen Ordnungen und Cutoffs. Diese Studien stellen einen ersten Schritt hin zu einer systematischen Fehleranalyse dar. Insbesondere wird gezeigt, dass die p-Schalen Spektroskopie hervorragend geeignet ist um Sensitivitäten bezüglich der chiralen 3N Wechselwirkungen zu diagnostizieren. German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 30 Jul 2014 07:31
Last Modified: 30 Jul 2014 07:31
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-40698
Referees: Robert, Prof. Dr. Roth and Jochen, Prof. Dr. Wambach
Refereed: 14 July 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4069
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year