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Ab initio calculations of nuclei using chiral interactions with realistic saturation properties

Simonis, Johannes :
Ab initio calculations of nuclei using chiral interactions with realistic saturation properties.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ab initio calculations of nuclei using chiral interactions with realistic saturation properties
Language: English
Abstract:

Ab initio calculations of nuclei from the valley of stability to the drip lines are a prime challenge in low-energy nuclear theory. The interactions in atomic nuclei, being composed of protons and neutrons, are governed by strong interactions. The fundamental theory of strong interactions is quantum chromodynamics (QCD). Due to the non-perturbative nature of QCD at low energies a direct calculation of nuclear forces from the underlying theory is presently not possible. However, chiral effective field theory (EFT) connects the symmetries of QCD to nuclear forces, enabling a systematic derivation of nuclear interactions, naturally including many-nucleon forces and uncertainty estimates. Chiral EFT interactions are generally softer than phenomenological interactions, but their low- and high-momentum components can still be coupled strongly. Using renormalization group (RG) methods, e.g., the similarity renormalization group, this coupling can be removed by a unitary transformation, resulting in even softer interactions. In addition to advances on nuclear forces and RG methods, several ab initio approaches have been developed in recent years to calculate medium-mass nuclei in a systematically improvable way.

We employ some of these advanced many-body approaches in our calculation of nuclei, starting from a set of chiral two- and three-nucleon interactions that, when used in perturbative calculations of symmetric nuclear matter, reproduce empirical saturation properties within theoretical uncertainties. We study ground- and excited-state energies of doubly open-shell nuclei from oxygen to calcium using valence-space interactions derived using many-body perturbation theory. Given the prominent role of the calcium isotopic chain, we perform coupled-cluster calculations to investigate stable and short-lived neutron-rich calcium isotopes. The ab initio calculations reveal that the size of the neutron skin of $^{48}$Ca is much smaller than results from density functional theory. In addition, the very steep increase in charge radii up to $^{52}$Ca measured recently questions the neutron shell closure at $N=32$ and provides an intriguing benchmark for our coupled-cluster calculations. We extend our study to ground states of closed-shell nuclei from $^4$He to $^{78}$Ni using the in-medium similarity renormalization group (IM-SRG). The experimental binding-energy and charge-radius systematics is well described, encouraging the decoupling of valence-space interactions with the IM-SRG to study also open-shell nuclei. The results for ground- and excited-state energies as well as for charge radii of open-shell nuclei achieve a similar level of agreement found in the closed-shell calculations, enabling broad predictions for future experiments up to mass number $\sim80$.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ab initio Berechnungen von Atomkernen vom Tal der Stabilität bis zu den Grenzen der Neutronen- und Protonenstabilität sind eine fundamentale Herausforderung der theoretischen Kernphysik. Die Wechselwirkungen in Atomkernen, welche aus Protonen und Neutronen bestehen, werden durch starke Wechselwirkungen bestimmt. Die fundamentale Theorie der starken Wechselwirkung ist die Quantenchromodynamik (QCD). Durch die nicht perturbative Beschaffenheit der QCD im Niederenergiebereich ist es zur Zeit nicht möglich Kernkräfte direkt aus der zugrunde liegenden Theorie zu berechnen. Die chirale effektive Feldtheorie (EFT) verbindet jedoch die Symmetrien der QCD mit Kernkräften und ermöglicht eine systematische Berechnung von nuklearen Wechselwirkungen einschlie{\ss}lich Vielteilchenkräften und Unsicherheitsabschätzungen. Wechselwirkungen basierend auf der chiralen EFT sind im Allgemeinen weicher als phänomenologische, dennoch kann eine starke Kopplung von Komponenten bei niedrigen und hohen Impulsen bestehen. Unter Verwendung von Methoden der Renormierungsgruppe (RG), z.B. der Similarity Renormalization Group, kann diese Kopplung durch eine unitäre Transformation entfernt und damit die Wechselwirkung weicher gemacht werden. Zusätzlich zum Fortschritt bei Kernkräften und RG Methoden wurden in den vergangenen Jahren mehrere ab initio Zugänge entwickelt, um mittelschwere Atomkerne in einer systematisch verbesserungsfähigen Art zu berechnen. Wir verwenden einige dieser modernen Vielteilchenmethoden in unseren Berechnungen von Atomkernen, ausgehend von einem Satz von Zwei- und Dreiteilchenkräften, welche unter Verwendung einer störungstheoretischen Rechnung für symmetrische Kernmaterie den empirischen Saturierungspunkt innerhalb theoretischer Unsicherheiten reproduzieren. Wir untersuchen Atomkerne mit nicht abgeschlossenen Schalen von Sauerstoff bis Calcium ausgehend von Valenzschalenwechselwirkungen, welche aus Vielteilchenstörungstheorie berechnet wurden. Durch die bedeutende Rolle der Calciumisotopenkette führen wir Coupled-Cluster Rechnungen für stabile und kurzlebige, neutronenreiche Calciumisotope durch. Unsere ab initio Rechnungen zeigen, dass die Dicke der Neutronenhaut von $^{48}$Ca viel kleiner ist als Resultate aus Dichtefunktionaltheorie. Au{\ss}erdem stellt der starke Anstieg in den kürzlich gemessenen Ladungsradien bis $^{52}$Ca den Neutronenschalenabschluss $N=32$ in Frage und bietet einen Benchmark für unsere Coupled-Cluster Rechnungen. Wir erweitern unsere Untersuchung der Grundzustände auf Atomkerne mit abgeschlossenen Schalen zwischen $^4$He und $^{78}$Ni mit Hilfe der In-Medium Similarity Renormalization Group (IM-SRG). Die experimentelle Systematik von Bindungsenergien und Ladungsradien wird gut beschrieben und ermutigt das Entkoppeln von Valenzschalenwechselwirkungen mit der IM-SRG, um Atomkerne mit offenen Schalen zu untersuchen. Die Ergebnisse für Grundzustands- und Anregungsenergien sowie Ladungsradien für Atomkerne mit offenen Schalen erreichen eine ähnliche Übereinstimmung wie im Fall von Rechnungen für Atomkerne mit abgeschlossenen Schalen, und ermöglichen damit umfassende Vorhersagen für zukünftige Experimente bis zur Massenzahl $\sim80$.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik
Date Deposited: 15 Dec 2017 13:18
Last Modified: 15 Dec 2017 13:18
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-70314
Referees: Schwenk, Prof. Ph.D Achim and Hammer, Prof. Dr. Hans-Werner
Refereed: 19 July 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7031
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