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In-Medium No-Core Shell Model for Ab Initio Nuclear Structure Calculations

Gebrerufael, Eskendr :
In-Medium No-Core Shell Model for Ab Initio Nuclear Structure Calculations.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: In-Medium No-Core Shell Model for Ab Initio Nuclear Structure Calculations
Language: English
Abstract:

In this work, we merge two successful ab initio nuclear-structure methods, the no-core shell model (NCSM) and the multi-reference in-medium similarity renormalization group (IM-SRG), to define a novel many-body approach for the comprehensive description of ground and excited states of closed- and open-shell medium-mass nuclei.

Building on the key advantages of the two methods — the decoupling of excitations at the many-body level in the IM-SRG, and the exact diagonalization in the NCSM applicable up to medium-light nuclei — their combination enables fully converged no-core calculations for an unprecedented range of nuclei and observables at moderate computational cost. The efficiency and rapid model-space convergence of the new approach make it ideally suited for ab initio studies of ground and low-lying excited states of nuclei up to the medium-mass regime.

Interactions constructed within the framework of chiral effective field theory provide an excellent opportunity to describe properties of nuclei from first principles, i.e., rooted in quantum chromodynamics, they overcome the lack of predictive power of phenomenological potentials. The hard core of these interactions causes strong short-range correlations, which we soften by using the similarity-renormalization-group transformation that accelerates the model-space convergence of many-body calculations. Three-nucleon effects, which are mandatory for the correct description of bulk properties of nuclei, are included in our calculations by using the normal-ordered two-body approximation, which has been shown to be sufficient to capture the main effects of the three-nucleon interaction.

Using these interactions, we analyze energies of ground and excited states in the carbon and oxygen isotopic chains, where conventional NCSM calculations are still feasible and provide an important benchmark. Furthermore, we study the Hoyle state in C-12 — a three-alpha cluster state that cannot be converged in standard NCSM calculations. Moreover, we explore island-of-inversion physics in magnesium isotopes, where the shell-model magic numbers vanish and new ones appear.

Due to our implementation of the IM-NCSM method, we are restricted to nuclei with even mass numbers. We propose and benchmark a simple and straightforward idea for the extension to odd nuclei within the framework of IM-NCSM using a particle-attached or particle-removed scheme.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit kombinieren wir zwei in der Kernstrukturphysik erfolgreiche ab initio Vielteilchenmethoden, das No-Core Schalenmodell (NCSM) und die Multireferenz In-Medium Similarity Renormalization Group (IM-SRG) Transformation. Dies ermöglicht einen neuen Zugang zur umfassenden Beschreibung von Grund- und Anregungszuständen mittelschwerer Kerne mit offener und geschlossener Schale. Ausgehend von den Hauptvorteilen beider Methoden – der Entkopplung der Anregungen auf Vielteilchenlevel in der IM-SRG und der exakten Diagonalisierung im NCSM für leichte bis mittelschwere Kerne – ermöglicht ihre Kombination vollständig konvergierte no-core Rechnungen für einen noch nie erreichten Bereich der Kerne und Observablen mit moderatem Rechenaufwand. Aufgrund ihrer Effizienz und rapiden Modelraumkonvergenz eignet sich die neue Methode ideal für ab initio Studien von Grundzuständen und tiefliegenden angeregten Zuständen von Kernen bis ins mittelschwere Regime. Wechselwirkungen aus der chiralen effektiven Feldtheorie bieten eine hervorragende Möglichkeit, Eigenschaften von Kernen ausgehend von den Grundprinzipien der Physik verankert in der Quantenchromodynamik zu beschreiben und die mangelnde Vorhersagekraft von phänomenologischen Wechselwirkungen zu überwinden. Die starke, kurzreichweitige Abstoßung der Wechselwirkungen ruft starke, kurzreichweitige Korrelationen hervor, die wir mithilfe der Similarity-Renormalization-Group Transformation, die die Modelraumkonvergenz der Vielteilchenrechnungen beschleunigt, abmildern. Dreinukleonen-Effekte, die für die korrekte Beschreibung der Masseneigenschaften der Kerne zwingend erforderlich sind, werden in unseren Rechnungen mittels der normalgeordneten Zweiteilchenapproximation behandelt, die ausreichend ist, um die Hauptwirkung der Dreiteilchenbeiträge zu erfassen. Mit diesen Wechselwirkungen analysieren wir Grund- und Anregungsenergien in Kohlenstoff- und Sauerstoffketten, in denen traditionelle NCSM Rechnungen noch machbar sind und einen wichtigen Richtwert zum Vergleich bieten. Weiterhin studieren wir den Hoyle-Zustand in C-12, einen Clusterzustand aus drei Alphateilchen, der in traditionellen NCSM Rechnungen nicht konvergiert werden kann. Weiterhin untersuchen wir die Physik der sogenannten "Island of Inversion" in Magnesiumisotopen, bei denen die magischen Zahlen aus dem Schalenmodell verschwinden und Neue entstehen. Aufgrund unserer Implementation der IM-NCSM Methode sind wir auf Kerne mit gerader Massenzahl beschränkt. Wir schlagen eine einfache Idee für die Erweiterung auf ungerade Kerne mittels des "particle-attached particle-removed" Schemas vor und analysieren diese.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
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik > Kernphysik und Nukleare Astrophysik
Date Deposited: 27 Oct 2017 06:52
Last Modified: 27 Oct 2017 06:52
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-69100
Referees: Roth, Prof. Dr. Robert and Braun, Prof. Dr. Jens
Refereed: 23 October 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6910
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