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Effective Field Theories and Electromagnetic Properties of Light Nuclei

Braun, Jonas (2019):
Effective Field Theories and Electromagnetic Properties of Light Nuclei.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Effective Field Theories and Electromagnetic Properties of Light Nuclei
Language: English
Abstract:

Electromagnetic properties and nuclear reactions in light nuclei are investigated in different low-energy ranges applying effective field theories. In particular, two topics with distinct degrees of freedom are considered: one-neutron halo nuclei in the Halo effective field theory (Halo EFT) and threshold neutral pion photoproduction employing chiral effective field theory (χEFT). In Halo EFT, the relevant degrees of freedom are the shallowly bound halo neutron and the tightly bound core nucleus. We extend the Halo EFT approach to shallow D-wave bound states, where the strong interaction between the core and the halo neutron is parametrized by contact interactions. We develop a power-counting scenario for arbitrary partial wave bound states and discuss its implications for universality. Furthermore, the results for electromagnetic form factors, electromagnetic transitions, and neutron capture reactions in weakly-bound D-wave states are presented of which we derive several universal correlations between electric observables. We apply our results to the two carbon isotopes C-15 and C-17, that both have shallow bound states with a neutron in a D-wave relative to the core. Together with ab initio results from the no-core shell model (NCSM) and experimental data for the neutron separation energies, we obtain predictions for several electric observables in C-15 at leading order (LO), i.e. the quadrupole and hexadecupole moments and radii as well as E1 neutron capture cross sections, using the experimentally measured E2 transition strength in C-15. The effects of next-to-leading order corrections for our results are also addressed. We find that additional counterterms, which are required for the absorption of divergences, become more dominant in higher partial wave bound states, especially in the magnetic sector. Hence, we discuss the consequences for universality in such weakly-bound states. Threshold neutral pion photoproduction off light nuclei is investigated in chiral perturbation theory (ChPT) at LO in the chiral expansion. We calculate the expectation value of the pion production operator with nuclear wave functions obtained by the NCSM and apply a density matrix approach for the evaluation of the appropriate pion production amplitudes. At LO, one-nucleon and two-nucleon effects contribute to the amplitude. We compare our results for H-2, H-3, and He-3 with the literature and find that we agree on both the one-nucleon contribution and the two-nucleon contribution, with the latter dominating at this order. The total amplitude is furthermore compared to experimental data of H-2 which reveals that the experimental result is about 11 % larger than our prediction. Moreover, we predict the threshold neutral pion photoproduction amplitude for Li-6 in ChPT for the first time.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Elektromagnetische Eigenschaften und Kernreaktionen in leichten Kernen werden mithilfe von effektiven Feldtheorien in verschiedenen Niedrigenergiebereichen untersucht. In diesem Zusammenhang werden zwei Theorien mit unterschiedlichen Freiheitsgraden betrachtet: Ein-Neutron-Halokerne in Halo effektiver Feldtheorie (Halo-EFT) und Neutrale-Pion-Photoproduktion an der Schwelle unter Verwendung der chiralen effektiven Feldtheorie. In der Halo-EFT sind die relevanten Freiheitsgrade das schwach gebundene Haloneutron und der verbleibende, stark gebundene Atomkern. Der Halo-EFT-Ansatz wird auf schwach gebundene D-Wellen-Zustände erweitert, bei denen die starke Wechselwirkung zwischen dem Kern und dem Haloneutron durch Kontaktwechselwirkungen parametrisiert wird. Ein Power-Counting-Szenario für beliebige Partialwellen-Zustände wird entwickelt und dessen Auswirkungen auf die Universalität werden diskutiert. Darüber hinaus werden die Ergebnisse für elektromagnetische Formfaktoren, elektromagnetische Übergänge sowie Neutroneneinfang in schwach gebundenen D-Wellen-Zuständen präsentiert, aus denen mehrere universelle Korrelationen zwischen elektrischen Observablen abgeleitet werden. Unsere Ergebnisse werden auf die beiden Kohlenstoffisotope C-15 und C-17 angewendet. Beide Isotope weisen schwach gebundene Zustände mit einem Neutron auf, das sich in einer D-Welle relativ zum Kern befindet. Zusammen mit ab initio Ergebnissen aus dem No-Core-Shell-Model (NCSM) und experimentellen Daten für die Neutronen-Separations-Energien werden, mithilfe des experimentell gemessenen E2-Übergangs in C-15, Vorhersagen für mehrere elektrische Observablen für C-15 in führender Ordnung gemacht. Dabei werden Vorhersagen für die Quadrupol- und Hexadecupol-Momente und deren Radien sowie für E1-Neutroneneinfang-Wirkungsquerschnitte getroffen. Des Weiteren werden die Beiträge der nächst führenden Ordnung für unsere Ergebnisse besprochen. Zusätzliche Gegenterme, die zur Absorption von Divergenzen erforderlich sind, werden für höhere Partialwellen-Zustände, insbesondere für magnetische Observablen, immer wichtiger. Die Folgen, die daraus für die Universalität in solchen schwach gebundenen Zuständen entstehen, werden diskutiert. Die Neutrale-Pion-Photoproduktion an der Schwelle wird im Rahmen der chiralen Störungstheorie an leichten Kernen in führender Ordnung der chiralen Entwicklung untersucht. Um die Pion-Produktionsamplituden zu berechnen, wird der Erwartungswert zwischen der Kern-Wellenfunktion, die mithilfe des NCSM bestimmt wird, und den Pion-Produktionsoperatoren gebildet. Des Weiteren wird ein Dichtematrix-Ansatz für die Auswertung verwendet. In führender Ordnung tragen Ein-Nukleon-Effekte und Zwei-Nukleonen-Effekte zur Pion-Produktion bei. Die erhaltenen Ergebnisse für H-2, H-3 und He-3 werden mit Literaturwerten verglichen. Sowohl der Ein-Nukleon-Beitrag als auch der Zwei-Nukleonen-Beitrag, der in dieser Ordnung dominiert, stimmen mit den Literaturwerten überein. Darüber hinaus wird die Gesamtamplitude mit den experimentellen Werten der Pion-Produktion an H-2 verglichen. Der experimentelle Wert liegt etwa 11 % über unserer Vorhersage. Außerdem wird erstmals die Amplitude der Pion-Photoproduktion an der Schwelle für Li-6 in chiraler Störungstheorie berechnet.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: 06 May 2019 11:23
Last Modified: 06 May 2019 11:23
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-86820
Referees: Hammer, Prof. Dr. Hans-Werner and Roth, Prof. Dr. Robert
Refereed: 24 April 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8682
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