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Nuclear Spectra and Strength Distributions from Importance-Truncated Configuration-Interaction Methods

Stumpf, Christina :
Nuclear Spectra and Strength Distributions from Importance-Truncated Configuration-Interaction Methods.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Nuclear Spectra and Strength Distributions from Importance-Truncated Configuration-Interaction Methods
Language: English
Abstract:

In this work, we extend two successful nuclear-structure methods, the valence-space and the no-core shell model, to new domains of applications.

We address key developments for a realistic implementation of the valence-space shell model to enhance its predictive power and allow for a description of arbitrary nuclei, ranging from the valley of stability to the neutron-deficient or neutron-rich extremes of the Segrè chart. One essential step is the capability to deal with valence spaces that comprise more than a single major shell. We propose an importance-truncation scheme for the valence-space shell model based on a physics-driven and adaptive truncation that, in combination with refined extrapolation techniques, provides an efficient and accurate tool for the description of nuclei in large-scale model spaces. Additionally, we explore effective valence-space Hamiltonians derived from chiral interactions in the in-medium similarity renormalization group. These interactions are rooted in quantum chromodynamics and provide an excellent framework to describe nuclear properties from first principles. Using these interactions, we demonstrate the reliability of the approach in single-shell valence spaces; however, difficulties persist with the construction of effective Hamiltonians for multi-shell valence spaces. While an ab initio description of nuclei in the framework of the importance-truncated valence-space shell model is not yet feasible, we study ground and first excited states of neutron-deficient tin isotopes in the gds valence space based on effective Hamiltonians that are constrained by few-body data only. Our results highlight the need for a more rigorous and systematic approach for the construction of nuclear interactions.

Moreover, we present an ab initio approach for the description of collective excitations and transition-strength distributions by combining the importance-truncated no-core shell model with the Lanczos strength-function method. Due to its computational efficiency, this method can be applied to all nuclei that are feasible in the no-core shell model. It provides access to the full energy range from low-lying excitations to the giant-resonance region and beyond in a unified and consistent framework, including a complete description of fragmentation and fine structure. The method relies solely on the basis truncation, and we demonstrate convergence of the strength distributions with the truncation parameter. Starting from chiral effective-field-theory interactions, we explore the electric monopole, dipole, and quadrupole response of oxygen, carbon, and helium isotopes. We focus on the emergence and evolution of pygmy and giant resonances, as well as the systematics of dipole polarizabilities throughout the isotopic chains. Furthermore, we study transition densities of prominent transitions in the distributions, which provide valuable insights in their nature. The results underline the importance of collective modes for constraining nuclear interactions. In addition, we elaborate on the relation with approximate methods, such as the random-phase approximation, and shed new light on their deficiencies.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit erweitern wir zwei erfolgreiche Kernstrukturmethoden, das Valenzraum-Schalenmodell und das No-Core Schalenmodell, um neue Anwendungsfelder. Wir nehmen wesentliche Entwicklungen für eine realistische Implementierung des Valenzraum-Schalenmodells in Angriff, um dessen Vorhersagekraft zu verbessern und eine Beschreibung beliebiger Kerne, vom Tal der Stabilität bis zu den neutronenarmen und neutronenreichen Extremen der Segrè-Nuklidkarte, zu ermöglichen. Ein unverzichtbarer Schritt dabei ist die Erweiterung von Valenzräumen auf mehr als nur eine Hauptschale. Wir führen die Importance-Trunkierung für das Valenzraum-Schalenmodell ein, die auf einer physikalisch motivierten und adaptiven Trunkierung basiert. In Verbindung mit geeigneten Extrapolationsmethoden stellt sie ein effizientes und genaues Werkzeug zur Beschreibung von Kernen in sehr großen Modellräumen dar. Des Weiteren untersuchen wir effektive Valenzraum-Hamiltonians, die mittels der In-Medium Similarity Renormalization Group von chiralen Wechselwirkungen abgeleitet sind. Diese Wechselwirkungen bieten einen ausgezeichneten Rahmen, um Kerneigenschaften ausgehend von den Grundprinzipien der Quantenchromodynamik zu beschreiben. Wir nutzen diese effektiven Hamiltonians, um die Zuverlässigkeit des Importance-trunkierten Valenzraum-Schalenmodells für Valenzräume zu zeigen, die eine Hauptschale umfassen. Die Konstruktion entsprechender effektiver Hamiltonians für erweiterte Valenzräume ist derzeit allerdings noch problembehaftet. Solange eine ab initio Beschreibung von Kernen im Importance-trunkierten Valenzraum-Schalenmodell noch nicht möglich ist, untersuchen wir Grund- und Anregungszustände von neutronenarmen Zinn-Isotopen in der gds Schale ausgehend von effektiven Valenzraum-Wechselwirkungen, die nur von Daten aus Systemen mit wenig Teilchen abhängen. Unsere Ergebnisse hierzu stellen die Notwendigkeit eines strengeren und systematischeren Ansatzes zur Konstruktion von Kernwechselwirkungen heraus. Außerdem präsentieren wir eine ab initio Methode zur Beschreibung von kollektiven Anregungen und Übergangsstärkeverteilungen, die aus der Kombination des Importance-trunkierten No-Core Schalenmodells mit der Lanczos-Stärkefunktionen-Methode hervorgeht. Aufgrund ihrer Recheneffizienz kann diese Methode auf alle Kerne angewendet werden, die auch im No-Core Schalenmodell realisierbar sind. Sie bietet einen vereinheitlichten und konsistenten Zugang zu Stärkeverteilungen im gesamten Energiebereich von niedrig liegenden Anregungen bis über die Riesenresonanzregion hinaus inklusive einer vollwertigen Beschreibung von Fragmentierung und Feinstruktur. Die Methode hängt ausschließlich von der Basistrunkierung ab und wir zeigen Konvergenz der Stärkeverteilungen mit dem Trunkierungsparameter. Ausgehend von Wechselwirkungen aus der chiralen effektiven Feldtheorie untersuchen wir Responsefunktionen von elektrischen Monopol-, Dipol- und Quadrupolübergängen für Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Heliumisotope. Dabei legen wir den Schwerpunkt auf die Entstehung und Evolution von Pygmy- und Riesenresonanzen, sowie auf die Systematik der Dipolpolarisierbarkeit durch die Isotopenketten hinweg. Zusätzlich untersuchen wir Übergangsdichten von besonders ausgeprägten Übergängen in den Stärkeverteilungen, da diese wertvolle Rückschlüsse auf deren Natur erlauben. Die Ergebnisse stellen heraus, wie wichtig kollektive Moden zur Bestimmung von Kernwechselwirkungen sind. Des Weiteren stellen wir eine Verbindung mit Näherungsmethoden, wie zum Beispiel der Random-Phase Approximation, her und geben neue Aufschlüsse über deren Defizite.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: 16 Jul 2018 12:40
Last Modified: 16 Jul 2018 12:40
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-75710
Referees: Roth, Prof. Dr. Robert and Martinez-Pinedo, Prof. Dr. Gabriel
Refereed: 18 June 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7571
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