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Development of a Gamow No-Core Shell-Model Framework for Nuclear Resonances

Müller, Julius (2023)
Development of a Gamow No-Core Shell-Model Framework for Nuclear Resonances.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023353
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

The development of sophisticated ab initio methods and the improvement of nuclear interactions derived from chiral effective field theory allow a very precise description of nuclear bound-state observables. In recent years, the development of ab initio methods that include the continuum degrees of freedom have made significant progress. Those methods allow the description of nuclear resonances. In this work, we develop an ab initio Gamow no-core shell model (GNCSM) framework for the description of nuclear resonances. The GNCSM is an extension of the NCSM, which is a very common ab initio method for a precise calculation of bound-state observables. The GNCSM makes use of the Berggren completeness relation, which enables the use of single-particle resonance and scattering continuum states in an orthonormal single-particle basis. As a consequence, the GNCSM Hamilton matrix becomes complex symmetric. The complex eigenvalues are able to describe the decay rate of nuclear resonances. The matrix elements for the GNCSM are calculated using an expansion in harmonic-oscillator matrix elements in order to regulate the infinite single-particle continuum states. The GNCSM with the Berggren single-particle basis is used to calculate a reference state. For this reference state, we compute a set of optimized Gamow natural orbitals in order to enhance the convergence rate in a subsequent GNCSM calculation. Finally, multiple Gamow natural orbital sets are used to compute a final result with a many-body uncertainty. The GNCSM framework is applied to resonances of various light nuclei. For some of these nuclei, we present a more precise calculation than the current spread of experimental results. Furthermore, we investigate different realistic interactions derived from chiral effective field theory with respect to their influence on the resonance energy and find that the dependence on the interaction is negligible compared to the many-body uncertainty of our framework. As a final application, we study the tetraneutron and find indications for a low-lying resonance.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Müller, Julius
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Development of a Gamow No-Core Shell-Model Framework for Nuclear Resonances
Sprache: Englisch
Referenten: Roth, Prof. Dr. Robert ; Hammer, Prof. Dr. Hans-Werner
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: 2, vii, 159 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 15 Februar 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023353
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23353
Kurzbeschreibung (Abstract):

The development of sophisticated ab initio methods and the improvement of nuclear interactions derived from chiral effective field theory allow a very precise description of nuclear bound-state observables. In recent years, the development of ab initio methods that include the continuum degrees of freedom have made significant progress. Those methods allow the description of nuclear resonances. In this work, we develop an ab initio Gamow no-core shell model (GNCSM) framework for the description of nuclear resonances. The GNCSM is an extension of the NCSM, which is a very common ab initio method for a precise calculation of bound-state observables. The GNCSM makes use of the Berggren completeness relation, which enables the use of single-particle resonance and scattering continuum states in an orthonormal single-particle basis. As a consequence, the GNCSM Hamilton matrix becomes complex symmetric. The complex eigenvalues are able to describe the decay rate of nuclear resonances. The matrix elements for the GNCSM are calculated using an expansion in harmonic-oscillator matrix elements in order to regulate the infinite single-particle continuum states. The GNCSM with the Berggren single-particle basis is used to calculate a reference state. For this reference state, we compute a set of optimized Gamow natural orbitals in order to enhance the convergence rate in a subsequent GNCSM calculation. Finally, multiple Gamow natural orbital sets are used to compute a final result with a many-body uncertainty. The GNCSM framework is applied to resonances of various light nuclei. For some of these nuclei, we present a more precise calculation than the current spread of experimental results. Furthermore, we investigate different realistic interactions derived from chiral effective field theory with respect to their influence on the resonance energy and find that the dependence on the interaction is negligible compared to the many-body uncertainty of our framework. As a final application, we study the tetraneutron and find indications for a low-lying resonance.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Die Entwicklung fortgeschrittener ab initio Methoden und die Verbesserung der Wechselwirkung zwischen Nukleonen, die mithilfe der chiralen effektiven Feldtheorie bestimmt wird, hat eine präzise Beschreibung von Observablen von gebundenen Kernzuständen ermöglicht. In den letzten Jahren ist auch die Entwicklung von ab initio Methoden, die das Kontinuum mit in Betracht ziehen, signifikant fortgeschritten. Mithilfe dieser Methoden ist es möglich Resonanzzustände in Kernen zu beschreiben. In dieser Arbeit entwickeln wir ein Gamow No-Core Schalenmodell (GNCSM) Framework für die Beschreibung von Resonanzzuständen. Das GNCSM ist eine Erweiterung des NCSM, welches eine verbreitete ab initio Methode zur präzisen Berechnung von Observablen von gebundenen Kernzuständen ist. Dazu nutzt das GNCSM eine von Berggren bewiesene Vollständigkeitsrelation, die es ermöglicht aus Streuzuständen und Resonanzen von Einteilchensystemen eine orthonormale Einteilchenbasis zu erzeugen. Eine Folge dieser Einteilchenbasis ist, dass die Hamiltonmatrix in der Vielteilchenbasis komplex wird. Die resultierenden komplexen Eigenwerte beschreiben die Zerfallszeit von Resonanzzuständen. Um die Hamiltonmatrixelemente zu berechnen, werden die Resonanzen und Streuzustände der Einteilchenbasis in harmonischen Oszillatorfunktionen entwickelt, welche die unendliche Reichweite dieser Kontinuumszustände einschränken. Der Resonanzzustand aus der GNCSM-Rechnung mit der Berggren-Einteilchenbasis wird als Referenzzustand für die Bestimmung einer optimierten Einteilchenbasis, den natürlichen Orbitalen, verwendet. Diese natürlichen Orbitale beschleunigen die Konvergenz in einer zweiten GNCSM-Rechnung. Diese GNCSM-Rechnung wird für die natürlichen Orbitale von mehreren Referenzzuständen durchgeführt und daraus ein finales Ergebnis mit einer Unsicherheit der Vielteilchenrechnung bestimmt. Das GNCSM Framework wird für die Berechnung von Resonanzenergien von verschiedenen leichten Kernen verwendet. Für einige dieser Kerne sind die experimentellen Ergebnisse nicht eindeutig, sodass die Unsicherheiten unserer Rechnung kleiner als die Streuung der experimentellen Ergebnisse ist. In einer weiteren Anwendung untersuchen wir den Einfluss von verschiedenen nuklearen Wechselwirkungen aus der chiralen effektiven Feldtheorie auf die Resonanzenergie eines Kernzustands. Dabei stellt sich heraus, dass die Abhängigkeit der Wechselwirkung im Vergleich zur Ungenauigkeit der Vielteilchenrechnung vernachlässigbar ist. Als finale Anwendung untersuchen wir das Tetraneutron und finden Anzeichen für einen Resonanzzustand bei niedrigen Energien.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-233536
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Theoretische Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Theoretische Kernphysik > Kern- und Vielteilchenphysik
TU-Projekte: DFG|SFB1245|A02 Roth
Hinterlegungsdatum: 27 Mär 2023 12:10
Letzte Änderung: 28 Mär 2023 12:35
PPN:
Referenten: Roth, Prof. Dr. Robert ; Hammer, Prof. Dr. Hans-Werner
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 15 Februar 2023
Export:
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