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Few-neutron systems and WIMP-nucleus interactions from chiral effective field theory

Klos, Philipp (2018):
Few-neutron systems and WIMP-nucleus interactions from chiral effective field theory.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8156],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

The building blocks of atomic nuclei, protons and neutrons, interact via the strong force. The fundamental theory of the strong interaction, quantum chromodynamics (QCD), is non-perturbative at the energy scales relevant for nuclear physics. Calculations of low-energy observables based directly on QCD thus present a challenge. Effective field theories (EFTs) of QCD, such as chiral EFT, provide an alternative pathway to describe the nuclear force and the interaction of nuclei with external particles. In this thesis, chiral EFT is applied to studies of few-neutron systems as well as in calculations of nuclear structure factors relevant for dark matter searches. Currently, only lattice QCD calculations in finite volume allow for direct solutions of QCD at low energies. Matching results obtained in chiral EFT to lattice QCD calculations thus presents a promising avenue for the construction of nuclear forces directly based on QCD. This becomes especially relevant in the few-neutron sector, which is challenging to access experimentally so that input for effective field theories is scarce. In this thesis, we take first steps in this direction by performing quantum Monte Carlo (QMC) calculations of the ground and first excited states of two neutrons in finite volume. We analyze the finite-volume effects that are crucial for the determination of infinite-volume observables from finite-volume data. The interest in few-neutron states also stems from a recent measurement of a possible tetraneutron resonance. We present QMC calculations of three and four neutrons interacting via chiral EFT forces confined in an external potential well. By extrapolating to the physical case of vanishing external-potential strength, we obtain a quantitative estimate of possible three- and four neutron resonance energies. Our results suggest that a three-neutron resonance, if it exists, may be lower in energy than a tetraneutron resonance. Furthermore, we present an alternative approach to the extraction of resonance properties based on the volume dependence of the calculated discrete energy spectra in finite volume. Using a discrete variable representation based on plane waves, we show for both bosonic and fermionic systems of up to four particles that multi-body resonances appear as avoided level crossings in the energy spectra. Our results establish few-body finite-volume calculations as a new tool to study few-body resonances. The analysis of dark matter direct detection experiments depends crucially on nuclear structure factors that describe the coupling of proposed dark matter particles (WIMPs) to the target nuclei used in such searches. We present a chiral power counting scheme for operators describing various types of WIMP-nucleon interactions including both nuclear one- and two-body currents. In a second step, we evaluate the corresponding structure factors for different target nuclei and determine the dominant corrections to the standard spin-independent channel. Based on chiral EFT and nuclear structure effects, we propose an extension of the standard analysis applied in experimental searches. In addition, we find that two-body contributions help improve limits on the WIMP-nucleon cross section based on collider searches of Higgs-mediated dark-matter interactions. Finally, we investigate to what extent current and planned experiments are able to distinguish the subdominant WIMP-nucleon interaction channels from the standard spin-independent interaction based on their momentum dependence.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2018
Creators: Klos, Philipp
Title: Few-neutron systems and WIMP-nucleus interactions from chiral effective field theory
Language: English
Abstract:

The building blocks of atomic nuclei, protons and neutrons, interact via the strong force. The fundamental theory of the strong interaction, quantum chromodynamics (QCD), is non-perturbative at the energy scales relevant for nuclear physics. Calculations of low-energy observables based directly on QCD thus present a challenge. Effective field theories (EFTs) of QCD, such as chiral EFT, provide an alternative pathway to describe the nuclear force and the interaction of nuclei with external particles. In this thesis, chiral EFT is applied to studies of few-neutron systems as well as in calculations of nuclear structure factors relevant for dark matter searches. Currently, only lattice QCD calculations in finite volume allow for direct solutions of QCD at low energies. Matching results obtained in chiral EFT to lattice QCD calculations thus presents a promising avenue for the construction of nuclear forces directly based on QCD. This becomes especially relevant in the few-neutron sector, which is challenging to access experimentally so that input for effective field theories is scarce. In this thesis, we take first steps in this direction by performing quantum Monte Carlo (QMC) calculations of the ground and first excited states of two neutrons in finite volume. We analyze the finite-volume effects that are crucial for the determination of infinite-volume observables from finite-volume data. The interest in few-neutron states also stems from a recent measurement of a possible tetraneutron resonance. We present QMC calculations of three and four neutrons interacting via chiral EFT forces confined in an external potential well. By extrapolating to the physical case of vanishing external-potential strength, we obtain a quantitative estimate of possible three- and four neutron resonance energies. Our results suggest that a three-neutron resonance, if it exists, may be lower in energy than a tetraneutron resonance. Furthermore, we present an alternative approach to the extraction of resonance properties based on the volume dependence of the calculated discrete energy spectra in finite volume. Using a discrete variable representation based on plane waves, we show for both bosonic and fermionic systems of up to four particles that multi-body resonances appear as avoided level crossings in the energy spectra. Our results establish few-body finite-volume calculations as a new tool to study few-body resonances. The analysis of dark matter direct detection experiments depends crucially on nuclear structure factors that describe the coupling of proposed dark matter particles (WIMPs) to the target nuclei used in such searches. We present a chiral power counting scheme for operators describing various types of WIMP-nucleon interactions including both nuclear one- and two-body currents. In a second step, we evaluate the corresponding structure factors for different target nuclei and determine the dominant corrections to the standard spin-independent channel. Based on chiral EFT and nuclear structure effects, we propose an extension of the standard analysis applied in experimental searches. In addition, we find that two-body contributions help improve limits on the WIMP-nucleon cross section based on collider searches of Higgs-mediated dark-matter interactions. Finally, we investigate to what extent current and planned experiments are able to distinguish the subdominant WIMP-nucleon interaction channels from the standard spin-independent interaction based on their momentum dependence.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik
Date Deposited: 11 Nov 2018 20:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8156
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-81562
Referees: Schwenk, Prof. Ph.D Achim and Hammer, Prof. Dr. Hans-Werner
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 15 October 2018
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Atomkerne sind aus Protonen und Neutronen aufgebaut, welche durch die starke Kernkraft wechselwirken. Die fundamentale Theorie der starken Wechselwirkung ist die Quantenchromodynamik (QCD). Diese ist im für die Kernphysik relevanten Energiebereich nicht perturbativ, weshalb die Berechnung von kernphysikalischen Größen bei niedrigen Energien basierend auf der QCD eine große Herausforderung darstellt. Effektive Feldtheorien (EFT) der QCD, wie beispielsweise die chirale EFT, bieten eine Alternative zur Beschreibung der Kernkräfte und der Wechselwirkung von Kernen mit externen Teilchen. In dieser Dissertation wird die chirale EFT zur Beschreibung von Systemen aus wenigen Neutronen sowie für Berechnungen von Kernstrukturfaktoren, die für die Suche nach dunkler Materie relevant sind, eingesetzt. Aktuell sind direkte Lösungen der QCD nur durch Gitter-Rechnungen im endlichen Volumen möglich. Durch das Anpassen von Rechnungen in chiraler EFT an Ergebnisse aus der Gitter-QCD lassen sich Kernkräfte auf Basis der QCD konstruieren. Diese Vorgehensweise ist besonders relevant für Systeme aus wenigen Neutronen, für welche experimentelle Daten rar sind. In dieser Arbeit präsentieren wir erste Schritte in diese Richtung, indem wir Quanten-Monte-Carlo-Rechnungen (QMC-Rechnungen) des Grund- und ersten angeregten Zustands des Zwei-Neutronen-Systems im endlichen Volumen durchführen. Wir analysieren die durch das endliche Volumen induzierten Effekte, welche einen Einfluss auf die Extraktion von Streuparametern haben. Das Interesse an Zuständen aus wenigen Neutronen ist auch durch eine aktuelle Messung einer möglichen Vier-Neutronen-Resonanz begründet. In dieser Arbeit untersuchen wir mittels QMC-Rechnungen Drei- und Vier-Neutronen-Systeme, die in externen Potentialen gefangen sind. Durch Extrapolation zu verschwindender Potentialstärke der Falle können im nächsten Schritt mögliche Drei- und Vier-Neutronen-Resonanzenergien berechnet werden. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass eine Drei-Neutronen-Resonanz, falls diese existiert, eine niedrigere Energie aufweisen könnte als eine Vier-Neutronen-Resonanz. Ein alternativer Weg zur Berechnung von Mehrteilchenresonanzen basiert auf der Volumenabhängigkeit von diskreten Energiespektren im endlichen Volumen. Unter Verwendung der Diskrete-Variablen-Darstellung zeigen wir für bosonische wie fermionische Systeme, dass Resonanzen aus mehr als zwei Teilchen als vermiedene Kreuzungen von Energieniveaus im endlichen Volumen erscheinen. Unsere Ergebnisse etablieren Rechnungen im endlichen Volumen als neue Methode zur Untersuchung von Mehrteilchenresonanzen. Die Auswertung von Experimenten zur direkten Detektion von dunkler Materie hängt maßgeblich von Kernstrukturfaktoren ab, welche die Wechselwirkung von postulierten Dunkle-Materie-Teilchen (WIMPs) mit den verwendeten Target-Kernen beschreiben. Wir präsentieren ein chirales Ordnungsschema für Operatoren, welche die Wechselwirkung zwischen WIMPs und Nukleonen beschreiben, wobei wir Ein- und Zweiteilchenoperatoren konsistent berücksichtigen. Im zweiten Schritt berechnen wir die zugehörigen Strukturfaktoren für verschiedene Target-Kerne und bestimmen die führenden Korrekturen zum üblicherweise angenommenen Spin-unabhängigen Kanal. Basierend auf unseren Ergebnissen schlagen wir eine erweiterte Operatorbasis für zukünftige Analysen experimenteller Ergebnisse vor. Des Weiteren zeigen wir, wie Zweiteilchenoperatoren auch dazu beitragen, Grenzwerte des WIMP-Nukleon-Wirkungsquerschnittes aus Beschleunigerexperimenten zu via Higgs-Austausch wechselwirkender dunkler Materie zu verbessern. Schlussendlich untersuchen wir, inwiefern aktuelle und geplante Experimente in der Lage sind, verschiedene WIMP-Nukleon-Wechselwirkungen zu unterscheiden.German
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