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Neutron matter, neutron pairing, and neutron drops based on chiral effective field theory interactions

Krüger, Thomas :
Neutron matter, neutron pairing, and neutron drops based on chiral effective field theory interactions.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Neutron matter, neutron pairing, and neutron drops based on chiral effective field theory interactions
Language: English
Abstract:

The physics of neutron-rich systems is of great interest in nuclear and astrophysics. Precise knowledge of the properties of neutron-rich nuclei is crucial for understanding the synthesis of heavy elements. Infinite neutron matter determines properties of neutron stars, a final stage of heavy stars after a core-collapse supernova. It also provides a unique theoretical laboratory for nuclear forces.

Strong interactions are determined by quantum chromodynamics (QCD). However, QCD is non-perturbative at low energies and one presently cannot directly calculate nuclear forces from it. Chiral effective field theory circumvents these problems and connects the symmetries of QCD to nuclear interactions. It naturally and systematically includes many-nucleon forces and gives access to uncertainty estimates. We use chiral interactions throughout all calculation in this thesis.

Neutron stars are very extreme objects. The densities in their interior greatly exceed those in nuclei. The exact composition and properties of neutron stars is still unclear but they consist mainly of neutrons. One can explore neutron stars theoretically with calculations of neutron matter. In the inner core of neutron stars exist very high densities and thus maybe exotic phases of matter. To investigate whether there exists a phase transition to such phases even at moderate densities we study the chiral condensate in neutron matter, the order parameter of chiral symmetry breaking, and find no evidence for a phase transition at nuclear densities. We also calculate the more extreme system of spin-polarised neutron matter. With this we address the question whether there exists such a polarised phase in neutron stars and also provide a benchmark system for lattice QCD. We find spin-polarised neutron matter to be an almost non-interacting Fermi gas. To understand the cooling of neutron stars neutron pairing is of great importance. Due to the high densities especially triplet pairing is of interest. We calculate the pairing gaps in neutron matter and provide uncertainty estimates.

The formation of heavy elements in the early universe proceeds through the rapid neutron-capture process. This process requires precise knowledge of the properties of very neutron-rich nuclei, which are unstable and at present not accessible in experiments. Thus, one can explore their properties only with theoretical calculations. Currently the only approach to the properties of all nuclei are energy-density functionals (EDFs). All EDFs used today are based on phenomenological models and fits to stable nuclei, which makes their predictive power for unknown (neutron-rich) nuclei unclear. Deriving an ab initio EDF directly from the nuclear forces is an important goal of nuclear theory. A promising approach is the optimised effective potential (OEP) method. We take a step into that direction and calculate neutron drops within the OEP formalism. In addition to the exact-exchange approximation we study for the first time the effect of second-order contributions and compare to quantum Monte Carlo and other results.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Physik neutronenreicher Systeme begegnet man in der Kern- und Astrophysik mit großem Interesse. Präzise Kenntnisse der Eigenschaften neutronenreicher Kerne sind für das Verständnis von der Synthese schwerer Kerne unerlässlich. Unendlich ausgedehnte Neutronenmaterie bestimmt die Eigenschaften von Neutronensternen, einem letzten Entwicklungszustand schwerer Sterne nach einer Kernkollaps-Supernova. Sie bildet außerdem ein einzigartiges Theorielabor für Kernkräfte. Die starke Wechselwirkung wird durch die Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben. Allerdings ist QCD im Niederenergiebereich nicht perturbativ und derzeit lassen sich Kernkräfte nicht direkt aus ihr herleiten. Chirale effektive Feldtheorie umgeht diese Probleme und verbindet die Symmetrien der QCD mit der Kernkraft. Sie beinhaltet auf natürliche Weise und systematisch Vielteilchenkräfte und bietet Möglichkeiten zu einer Unsicherheitsabschätzung. In dieser Dissertation verwenden wir in allen Rechnungen chirale Wechselwirkungen. Neutronensterne sind sehr extreme Objekte. Die Dichten in ihrem Inneren übersteigen die in Atomkernen bei Weitem. Die genaue Zusammensetzung und Eigenschaften von Neutronensternen sind immer noch unklar, allerdings bestehen sie zum größten Teil aus Neutronen. Man kann Neutronensterne durch Berechnungen von Neutronenmaterie theoretisch erforschen. Im innersten Kern von Neutronensternen existieren sehr hohe Dichten und daher möglicherweise exotische Phasen von Materie. Um zu erforschen, ob es schon bei moderaten Dichten einen Phasenübergang zu solchen Phasen gibt, untersuchen wir das chirale Kondensat in Neutronenmaterie, den Ordnungsparameter chiraler Symmetriebrechung, und finden keinen Anhaltspunkt für einen Phasenübergang im nuklearen Dichtebereich. Außerdem berechnen wir das sehr extreme System Spin-polarisierter Neutronenmaterie. Dadurch können wir der Frage nachgehen, ob es in Neutronensternen eine solche polarisierte Phase gibt und bieten ein Benchmark-System für Gitter-QCD. Wir zeigen, dass Spin-polarisierte Neutronenmaterie ein nahezu nicht wechselwirkendes Fermigas darstellt. Um die Abkühlung von Neutronensternen zu verstehen ist Pairing sehr wichtig. Durch die hohen Dichten ist vor allem Triplet-Pairing von großem Interesse. Wir berechnen die Energielücken in Neutronenmaterie und geben dazu Unsicherheiten an. Die Entstehung schwerer Elemente im jungen Universum erklärt sich durch den schnellen Neutroneneinfangsprozess. Dieser Prozess setzt präzise Kenntnisse der Eigenschaften sehr neutronenreicher Kerne voraus, welche instabil und experimentell nicht zugänglich sind. Daher kann man ihre Eigenschaften nur durch theoretische Berechnungen erforschen. Derzeit besteht der einzige Zugang zu den Eigenschaften aller Kerne aus Energiedichtefunktionalen (EDF). Alle zurzeit verwendeten EDF basieren auf phänomenologischen Modellen und Fits an stabile Kerne, wodurch ihre Vorhersagekraft für unbekannte (neutronenreiche) Kerne unklar ist. Die Herleitung eines ab initio EDF direkt aus den Kernkräften ist ein wichtiges Ziel der theoretischen Kernphysik. Ein vielversprechender Ansatz besteht in der Methode des optimierten effektiven Potentials (OEP). Wir schreiten in diese Richtung und berechnen Neutronentropfen im OEP-Formalismus. Ergänzend zur Näherung des exakten Austauschs untersuchen wir zum ersten Mal auch den Einfluss von Beiträgen zweiter Ordnung und vergleichen unsere Berechnungen mit Quanten-Monte-Carlo-Simulationen und anderen Ergebnissen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik
Date Deposited: 26 Oct 2016 09:30
Last Modified: 26 Oct 2016 09:30
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-56495
Referees: Schwenk, Prof. Ph.D Achim and Braun, Prof. Dr. Jens
Refereed: 19 October 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5649
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