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Chiral interactions for nuclear reactions and heavy nuclei.

Durant Sanjinés-Uriarte, Victoria :
Chiral interactions for nuclear reactions and heavy nuclei.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Doctoral thesis - Archive (Doctoral thesis)
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Chiral interactions for nuclear reactions and heavy nuclei.
Language: English
Abstract:

In this Thesis, we study nuclear reactions and interactions for heavy nuclei based on chiral effective field theory interactions. Thus, long-range nucleon interactions are described through pion exchanges, while the unresolved short-distance physics is encapsulated into low-energy constants that are typically fitted to few-body data. As a result of the systematic expansion of chiral effective field theory, the inclusion of many-body forces enters naturally at higher orders. At the same time, chiral effective field theory also enables order-by-order improvable calculations, as well as estimates of theoretical uncertainties.

The determination of nucleus-nucleus potentials is important not only to describe the nuclear reaction mechanism, but also to extract nuclear-structure information and for modeling nuclear reactions for astrophysics. We present the first determination of double-folding potentials based on chiral effective field theory at leading, next- to-leading, and next-to-next-to-leading order. To this end, we construct new soft local chiral effective field theory interactions. We benchmark this approach in the 16O–16O system, and present results for cross sections computed for elastic scattering up to 700 MeV in energy, as well as for the astrophysical S -factor of the fusion eaction. We also explore the impact of the density profile involved in the construction of the double-folding potentials. A first estimation of the impact of three-nucleon interactions as a triple-folding potential is presented as well.

For heavy nuclei, we focus on the calculation of three-nucleon interactions in their two-body normal-ordered form to be included in nuclear structure calculations. We develop a novel technique to perform the normal ordering directly in Jacobi basis, enabling the extension of the three-body model space in which these interactions can be included, as well as the storage of the matrix elements in all the steps of the calculation. To assess the validity of this new approach, we benchmark our matrix elements in JT-coupled basis against existing normal-ordered matrix elements using 4He and 16O as reference states in a harmonic oscillator basis. Additionally, we present first applications of these normal-ordered matrix elements in calculations of finite nuclei. Using the in-medium similarity renormalization group, we perform benchmarks for the 16 O ground-state energy and charge radius. We also test the convergence of our results with respect to the inclusion of high partial waves.

Moreover, we present results for sd-shell Hamiltonians constructed from chiral effective field theory operators using the machinery developed for the transformation of matrix elements. Finally, we discuss an approximation for harmonic oscillator radial wave functions, which could further optimize future calculations of normal-ordered matrix-elements for heavy nuclei.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Arbeit untersucht Reaktionen und Wechselwirkungen schwerer Kerne basierend auf der Chi- ralen effektiven Feldtheorie. Darin werden langreichweitige Wechselwirkungen zwischen Nukleo- nen durch den Austausch von Pionen beschrieben, wohingegen nicht auflösbare, kurzreichweitige Effekte in Niedrig-Energie-Konstanten aufgenommen werden, die typischerweise an Wenig-Teilchen- Systeme angepasst sind. Die Chirale effektive Feldtheorie erlaubt eine systematische Beschreibung von Vielteichen-Kräften, die bei höheren Ordnungen auftreten. Weiterhin bietet die Chirale effek- tive Feldtheorie ein sogenanntes "order-by-order improvement", was bedeutet das Berechnungen mit steigender Ordnung verfeinert/verbessert werden können, und sie ermöglicht es den Ergebnissen theoretische Unsicherheiten zuzuweisen. Die Bestimmung von Atomkern-Atomkern-Potentialen ist nicht nur essenziell um nukleare Reak- tionen zu beschreiben, sondern auch um Kernstruktur-Informationen zu extrahieren und um Kern- reaktionen für astrophysikalische Systeme zu modellieren. In dieser Arbeit werden zum ersten mal Double-Folding Potentiale verwendet die auf chiralen Wechselwirkungen in führender Ord- nung (leading-), next-to-leading- und next-to-next-to-leading-order basieren. Dafür wurden neue softe und lokale chirale Wechselwirkungen konstruiert. Als erster Benchmark wird das 16 O − 16 O System betrachtet und Berechnungen erster Ergebnisse für Wirkungsquerschnitte von elastischen Streuexperimenten für Energien bis zu 700 MeV, sowie der astrophysikalische S-factor von Fusion- sreaktionen gezeigt. Weiterhin wird der Einfluss des Dichte-Profils, welches in der Konstruktion der Double-Folding Potentialen verwendet wird, betrachtet. Abschließend werden erste Schätzungen für den Einfluss von Drei-Teilchen Wechselwirkungen in Triple-Folding Potentialen präsentiert. In dieser Arbeit wird die Drei-Nukleon Wechselwirkung in Kernstrukturberechnungen von schweren Kernen in der sogenannten Zwei-Teilchen normalgeordneten Form verwendet. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine neue Technik entwickelt mit der die Normalordnung direkt in der Jacobi-Basis berechnet wird, was es ermöglicht den Drei-Teilchen-Modellraum, in dem sich die Berechnungen abspielen, zu erweitern und gleichzeitig den Speicherbedarf der Matrix-Elemente zu reduzieren. Um diese neue Methode zu validieren, werden die erzeugten Matrixelemente in einer J T - gekoppelten Basis mit bereits existierenden, normalgeordneten Matrixelementen für 4 He and 16 O Ref- erenzzustände in harmonischer Oszillator-Basis verglichen. Erste Anwendungen der neuen normal- geordneten Matrixelemente in endlichen Kernen werden gezeigt. Mithilfe der In-Medium Similarity- Renormalization-Group werden Vergleichsrechnungen für die 16 O Grundzustandsenergie und den Ladungsradius angefertigt. Die Konvergenz der Ergebnisse wird unter Hinzunahme höherer Partial- wellen überprüft. Zudem werden mithilfe dieser Methode Ergebnisse in der sd -Schale für Hamilitonians mit Opera- toren aus der chiralen effektiven Feldtheorie gezeigt. Abschließend wird eine Näherungsrechnung für Radialwellenfunktionen des harmonischen Oszil- lators besprochen, welche in Zukunft eine zusätzliche Verbesserung der normalgeordneten Matrixele- mente schwerer Kerne bewirken könnte.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik
Date Deposited: 26 Jul 2019 10:18
Last Modified: 26 Jul 2019 10:18
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-85197
Referees: Schwenk, Prof. Ph.D Achim and Capel, Apl. Prof. Pierre
Refereed: 3 December 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8519
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