TU Darmstadt / ULB / TUprints

Generalized relativistic mean-field model with non-linear derivative nucleon-meson couplings for nuclear matter and finite nuclei

Antic, Sofija :
Generalized relativistic mean-field model with non-linear derivative nucleon-meson couplings for nuclear matter and finite nuclei.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

[img]
Preview
Text
SAntic_dissertation_v2.pdf
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 4.0.

Download (3MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Generalized relativistic mean-field model with non-linear derivative nucleon-meson couplings for nuclear matter and finite nuclei
Language: English
Abstract:

The equation of state (EOS) for highly compressed dense matter is one of the main concerns of nuclear astrophysics in recent years. It is essential for modeling compact astrophysical objects like neutron stars (NS), their mergers and core-collapse supernovae (CCSN). It also sets the conditions for the creation of chemical elements in the universe, in particular for the r-process whose astrophysical site is still under debate. Therefore, it is an active theoretical and experimental research topic. At present, a realistic and quantitative description of dense matter is not available from first principles using the basic theory of quantum chromodynamics (QCD). Hence, a large variety of phenomenological models has been developed for describing nuclear systems. These models depend on a number of adjustable parameters that have to be determined by data. It is essential for the further development of the field to determine the most realistic parameter sets and to use them consistently. New and more precise constraints on EOS parameters are becoming available with the advancement of technology and novel astrophysical observations and laboratory experiments conducted. As a consequence we are able to provide models that can be further used in many studies, both for nuclear structure and astrophysical applications.

In this work an extended relativistic mean-field (RMF) model, the density-dependent (DD) non-linear derivative (NLD), or in short DD-NLD model, is developed. The novelty is combining density-dependent nucleon-meson couplings with the energy dependence introduced in the nucleon self-energies in order to reproduce the experimental behavior of the optical potential. The model is applied to the description of infinite nuclear matter, focusing on the high density region above nuclear saturation, and used to obtain the NS EOS at zero temperature. In order to determine the model parameters they are fitted to nuclear matter properties at saturation density as well as to selected properties of several finite nuclei among which are binding energies, charge and diffraction radii, surface thicknesses, etc. The obtained set of parameters is used in the calculation of the NS mass-radius relation by solving the Tolman-Oppenheimer-Volkoff equations. This was considered only for nuclear systems at vanishing temperature. For general astrophysical applications however, e.g. in order to provide EOS tables for simulations of CCSN, it is necessary to extend the theoretical description to finite temperatures. Since the developed DD-NLD model has a very general form, it can in principle be extended to temperature dependent cases. For the purpose of this work, the extended temperature dependent model for nuclear matter is developed, but in the limit of low temperatures, up to about 20 MeV. This allows to study the liquid-gas phase transition for nuclear matter expected at sub-saturation densities, covering the full range of isospin asymmetries. A study of the spinodal and binodal regions of instability and phase coexistence is performed. We discuss the influence of the energy-dependent self-energies in the EOS model with increasing temperature and the effects it has on the liquid-gas phase transition.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Zustandsgleichung für hochkomprimierte dichte Materie ist eines der Hauptanliegen der nuklearen Astrophysik in den letzten Jahren. Sie ist wesentlich für die Modellierung kompakter astrophysikalischer Objekte wie Kernkollaps-Supernovae, Neutronensternen und ihre Verschmelzung. Sie bestimmt ebenfalls die Bedingungen für die Enstehung der Elemente im Universum, insbesondere für den r-Prozess, dessen astrophysikalischer Ort noch debattiert wird. Daher ist die Zustandsgleichung ein aktives Thema der theoretischen und experimentellen Forschung. Gegenwärtig ist eine realistische und quantitative Beschreibung dichter Materie von ersten Prinzipien unter Verwendung der grundlegenden Theorie der Quantenchromodynamik nicht verfügbar. Daher wurden eine große Vielfalt phänomenologischer Modelle zur Beschreibung nuklearer Systeme entwickelt. Diese Modelle hängen von einer Anzahl von anzupassender Parameter ab, die durch Daten bestimmt werden müssen. Für die weitere Entwicklung des Feldes ist es entscheidend, die realistischsten Parametersätze zu bestimmen und sie konsistent zu verwenden. Neue Einschränkungen kommen von astrophysikalischen Beobachtungen und Laborexperimenten, die uns ermöglichen, bessere modelle bereitzustellen, die in vielen Studien, sowohl für Kernstruktur- und astrophysikalischen Anwendungen, verwendet werden können. In dieser Arbeit wird ein erweitertes relativistische Mittelfeldmodell, das dichteabhängige nichtlineare Ableitungsmodell oder kurz DD-NLD Modell, entwickelt. Bei den nuklearen Selbstenergien wird eine Energieabhängigkeit eingeführt, um das experimentelle Verhalten des optischen Potentials zu reproduzieren. Das Modell wird auf die Beschreibung von unendlicher Kernmaterie, mit Schwerpunkt auf die Hochdichteregion oberhalb der Sättigungsdichte, angewendet sowie für die Neutronstern-Zustandsgleichung bei verschwindender Temperatur. Um die Modellparameter zu bestimmen, werden Kernmaterieparameter bei Sättigungsdichte sowie Eigenschaften mehrerer Atomkerne, darunter Bindungsenergien, Ladungs- und Diffraktionsradien, Oberflächendicken, etc., angepasst. Die erhaltenen Parametersätze werden verwendet, um die Masse-Radius-Beziehung von Neutronensternen durch Lösen der Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Gleichungen zu bestimmen. In diesen Untersuchungen wird das DD-NLD-Modell nur für nukleare Systeme bei verschwindender Temperatur betrachtet. Für allgemeine astrophysikalische Anwendungen jedoch, z.B. für die Bereitstellung von Zustandsgleichungstabellen für Simulationen von Kernkollaps-Supernovae, ist es notwendig, die theoretische Beschreibung auf endlichen Temperaturen zu erweitern. Zu diesem Zweck wird das temperatur-erweiterte Modell entwickelt. Dieses ermöglicht, die Eigenschaften homogener Kernmaterie bei kleinen Temperaturen bis zu 15 MeV zu studieren und dabei den vollen Bereich der Isospinasymmetrie von Neutronenmaterie über symmetrische Materie bis zu Protonenmaterie abzudecken. Der Flüssig-Gas Phasenübergang und die spinodalen und binodalen Gebiete der Instabilität bzw. Koexistenz von Phasen werden untersucht. Wir diskutieren den Einfluss der energieabhängigen Selbstenergien im Zustandsgleichungsmodell mit steigender Temperatur und deren Effekte auf den Flüssig-Gas Phasenübergang.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik > Kernphysik und Nukleare Astrophysik
Date Deposited: 23 Feb 2018 10:14
Last Modified: 23 Feb 2018 10:14
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-72402
Referees: Langanke, Prof. Dr. Karlheinz and Martinez-Pinedo, Prof. Dr. Gabriel
Refereed: 12 July 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7240
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year