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Ab initio calculations of neutron-rich nuclei with many-body operators

Heinz, Matthias (2024)
Ab initio calculations of neutron-rich nuclei with many-body operators.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027462
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

The structure of atomic nuclei has far reaching consequences, including implications for fundamental interactions, the astrophysical synthesis of heavy elements, and the properties of matter in neutron stars. First-principles, or ab initio, nuclear structure theory aims to describe the structure of atomic nuclei based on inter-nucleonic interactions, connecting our understanding of nuclear structure to our understanding of the strong interaction. This approach has two key ingredients: nuclear forces describing the interactions between the protons and neutrons, collectively nucleons, making up nuclei; and many-body calculations computing the properties of many-nucleon systems starting from these nuclear forces. In this thesis, we tackle key challenges in ab initio many-body calculations to reach higher accuracy and to describe heavier systems.

Ab initio many-body methods capable of describing more than just the lightest elements rely on controlled, systematically improvable approximations in their solution of the many-body problem. The in-medium similarity renormalization group (IMSRG) is one such method. Its standard truncation at the normal-ordered two-body level, the IMSRG(2), has been used very successfully over the past decade to develop a comprehensive ab initio description of medium-mass nuclei. In this thesis, we develop the IMSRG(3), the next truncation order including normal-ordered three-body operators in the many-body solution. The extension of the IMSRG to the IMSRG(3) level brings greater precision to theoretical predictions of energies and charge radii. Furthermore, it gives substantial corrections to other quantities of interest where IMSRG(2) predictions are insufficient, such as the prediction of shell structure at doubly-magic nuclei. With the IMSRG(2) and the IMSRG(3) together, many-body uncertainties due to the approximate solution of the many-body problem can be robustly quantified. In addition to developing the IMSRG(3), we improve the treatment of three-body forces in IMSRG calculations, extending the reach of ab initio calculations to heavy nuclei and providing converged predictions of ground-state properties of lead-208. We also introduce multiple ways to accelerate IMSRG calculations, through basis optimization via the perturbatively improved natural orbitals and through importance truncation techniques applied to many-body operators in the IMSRG.

Using the improvements of the IMSRG we developed, we investigate carbon, calcium, and ytterbium isotopes in close collaboration with current experimental efforts. The IMSRG(3) improves the description of the structure of calcium-48, resolving a long-standing overprediction of the closed-shell structure by the IMSRG(2). We also investigate the unresolved discrepancies between theory and experiment in calcium charge radii. In ytterbium isotopes, we provide nuclear structure input for a search for a possible new boson in isotope shifts of atomic transitions. Based on our input, we identify the leading signal in ytterbium isotope shifts to be due to the structure of ytterbium isotopes, not the possible new boson. From this, we extract information on δ⟨r⁴⟩, giving access to a new nuclear structure observable related to deformation. This highlights the importance of nuclear theory to understand nuclear structure effects in searches for new physics.

These developments break new ground for ab initio nuclear theory, paving the way to a more comprehensive and precise description of atomic nuclei with many promising and interesting applications.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Heinz, Matthias
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Ab initio calculations of neutron-rich nuclei with many-body operators
Sprache: Englisch
Referenten: Schwenk, Prof. Ph.D Achim ; Papenbrock, Prof. Dr. Thomas
Publikationsjahr: 13 Juni 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: xv, 169 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 3 Juni 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027462
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27462
Kurzbeschreibung (Abstract):

The structure of atomic nuclei has far reaching consequences, including implications for fundamental interactions, the astrophysical synthesis of heavy elements, and the properties of matter in neutron stars. First-principles, or ab initio, nuclear structure theory aims to describe the structure of atomic nuclei based on inter-nucleonic interactions, connecting our understanding of nuclear structure to our understanding of the strong interaction. This approach has two key ingredients: nuclear forces describing the interactions between the protons and neutrons, collectively nucleons, making up nuclei; and many-body calculations computing the properties of many-nucleon systems starting from these nuclear forces. In this thesis, we tackle key challenges in ab initio many-body calculations to reach higher accuracy and to describe heavier systems.

Ab initio many-body methods capable of describing more than just the lightest elements rely on controlled, systematically improvable approximations in their solution of the many-body problem. The in-medium similarity renormalization group (IMSRG) is one such method. Its standard truncation at the normal-ordered two-body level, the IMSRG(2), has been used very successfully over the past decade to develop a comprehensive ab initio description of medium-mass nuclei. In this thesis, we develop the IMSRG(3), the next truncation order including normal-ordered three-body operators in the many-body solution. The extension of the IMSRG to the IMSRG(3) level brings greater precision to theoretical predictions of energies and charge radii. Furthermore, it gives substantial corrections to other quantities of interest where IMSRG(2) predictions are insufficient, such as the prediction of shell structure at doubly-magic nuclei. With the IMSRG(2) and the IMSRG(3) together, many-body uncertainties due to the approximate solution of the many-body problem can be robustly quantified. In addition to developing the IMSRG(3), we improve the treatment of three-body forces in IMSRG calculations, extending the reach of ab initio calculations to heavy nuclei and providing converged predictions of ground-state properties of lead-208. We also introduce multiple ways to accelerate IMSRG calculations, through basis optimization via the perturbatively improved natural orbitals and through importance truncation techniques applied to many-body operators in the IMSRG.

Using the improvements of the IMSRG we developed, we investigate carbon, calcium, and ytterbium isotopes in close collaboration with current experimental efforts. The IMSRG(3) improves the description of the structure of calcium-48, resolving a long-standing overprediction of the closed-shell structure by the IMSRG(2). We also investigate the unresolved discrepancies between theory and experiment in calcium charge radii. In ytterbium isotopes, we provide nuclear structure input for a search for a possible new boson in isotope shifts of atomic transitions. Based on our input, we identify the leading signal in ytterbium isotope shifts to be due to the structure of ytterbium isotopes, not the possible new boson. From this, we extract information on δ⟨r⁴⟩, giving access to a new nuclear structure observable related to deformation. This highlights the importance of nuclear theory to understand nuclear structure effects in searches for new physics.

These developments break new ground for ab initio nuclear theory, paving the way to a more comprehensive and precise description of atomic nuclei with many promising and interesting applications.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
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Die Struktur von Atomkernen hat weitreichende Konsequenzen, u.a. für die beobachtete Stärke fundamentaler Wechselwirkungen, die astrophysikalische Synthese schwerer Elemente, und die Materialeigenschaften von Neutronensternen. Die Ab-Initio-Kernstrukturtheorie zielt darauf ab, die Struktur von Atomkernen auf der Grundlage von Kernkräften zwischen Nukleonen (d.h. Protonen und Neutronen) zu beschreiben. Diese Herangehensweise verbindet unser Verständnis der Kernstruktur mit dem der starken Wechselwirkung und hat zwei Schlüsselkomponenten: Kernkräfte, die die Wechselwirkungen zwischen den Nukleonen beschreiben, aus welchen sich die Kerne zusammensetzen; und Vielteilchenrechnungen, die aus diesen Kernkräften die Eigenschaften von Vielteilchensystemen errechnen. In dieser Arbeit behandeln wir wichtige Herausforderungen innerhalb solcher Ab-Initio-Vielteilchenrechnungen, die zur Beschreibung schwererer Systeme mit größerer Genauigkeit überwunden werden müssen.

Ab-Initio-Vielteilchenmethoden, die uns in die Lage versetzen mehr als nur die leichtesten Elemente verlässlich zu beschreiben, müssen auf kontrollierten, systematisch verbesserbaren Näherungen bei der Lösung des Vielteilchenproblems beruhen. Die In-Medium Similarity Renormalization Group (IMSRG) ist eine solche Methode. Ihre Standardtrunkierung auf dem normalgeordneten Zweiteilchenniveau, die IMSRG(2), wurde in dem letzten Jahrzehnt sehr erfolgreich eingesetzt, um eine umfassende Ab-Initio-Beschreibung von mittelschweren Kernen zu entwickeln. In dieser Arbeit entwickeln wir die IMSRG(3), die nächste Ordnung in diesem Trunkierungsschema, die in der Vielteilchenlösung zusätzliche normalgeordnete Dreiteilchenoperatoren beinhaltet. Die Erweiterung der IMSRG zur IMSRG(3) erhöht die Präzision theoretischer Vorhersagen von Energien und Ladungsradien. Darüber hinaus liefert sie wesentliche Korrekturen für andere interessante Größen, für die die Präzision der IMSRG(2) nicht ausreicht, wie zum Beispiel die Vorhersage der Schalenstruktur bei doppeltmagischen Kernen. Der Vergleich von Vorhersagen der IMSRG(2) und IMSRG(3) erlaubt eine robuste Quantifizierung von Unsicherheiten, die auf der näherungsweisen Lösung des Vielteilchenproblems beruhen.

Zusätzlich zur Entwicklung der IMSRG(3) verbessern wir auch die technische Handhabung der Dreiteilchenkräfte innerhalb der IMSRG, um den Anwendungsbereich von Ab-Initio-Berechnungen auf die schwersten natürlich vorkommenden Kerne auszudehnen und konvergierte Vorhersagen für die Grundzustandseigenschaften von Blei-208 bereitzustellen. Weiterhin führen wir mehrere Methoden zur Beschleunigung von IMSRG-Rechnungen ein: (i) eine Basisoptimierung durch Verwendung von perturbativ verbesserten natürlichen Orbitalen, und (ii) die Anwendung diverser vorteilshafter Trunkierungstechniken auf Vielteilchenoperatoren in der IMSRG.

Unter Verwendung der von uns hier entwickelten Verbesserungen der IMSRG, sowie in enger Zusammenarbeit mit aktuellen experimentellen Untersuchungen, betrachten wir als nächstes Kohlenstoff-, Calcium- und Ytterbiumisotope. Die IMSRG(3) verbessert die Beschreibung der Struktur von Calcium-48 und löst ein langjähriges Problem der IMSRG(2) bei der Vorhersage der geschlossenen Schalen in diesem Massenbereich. Bisher ungelöste Diskrepanzen zwischen Theorie und Experiment bei den Calcium-Ladungsradien sind ein weiterer Gegenstand unserer Untersuchungen. Für Ytterbium liefern wir Kernstrukturvorhersagen zur Suche nach einem möglichen neuen Boson in Isotopenverschiebungen von atomaren Übergängen. Basierend auf unseren Vorhersagen identifizieren wir als führenden Beitrag zur Isotopenverschiebung in Ytterbium einen Kernstruktureffekt anstelle der andernorts vorgeschlagenen Wechselwirkung mit einem postulierten neuen Boson. Aus unserer Analyse extrahieren wir Informationen über δ⟨r⁴⟩, eine neue Kernstrukturobservable, die bestimmte radiale Verformungen der Kerndichteverteilung charakterisiert. Diese Einsicht unterstreicht die wichtige Rolle der Kerntheorie bei der Suche nach neuer Physik in Prozessen, bei denen die innere Struktur des Atomkerns eine Rolle spielt.

Die hier beschreibenen Entwicklungen eröffnen neue Möglichkeiten für die Ab-Initio-Kernstrukturtheorie; sie ebnen den Weg zu einer umfassenderen und präziseren Beschreibung von Atomkernen und versprechen damit zahlreiche interessante und neuartige Anwendungen.

Deutsch
Freie Schlagworte: nuclear structure theory, many-body methods, new physics, uncertainty quantification
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-274622
Zusätzliche Informationen:

Partially funded by: EC/H2020|101020842|EUSTRONG (ERC Grant Agreement No. 101020842)

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 > Kernphysik und Nukleare Astrophysik
TU-Projekte: DFG|SFB1245|A04 Schwenk
Hinterlegungsdatum: 13 Jun 2024 12:05
Letzte Änderung: 14 Jun 2024 11:44
PPN:
Referenten: Schwenk, Prof. Ph.D Achim ; Papenbrock, Prof. Dr. Thomas
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 3 Juni 2024
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