Nuclear physics in neutron stars: Study of superfluidity in hypernuclei and constraining the nuclear equation of state
Nötron yıldızlarında nükleer fizik: Hiperçekirdeklerde süperakışkanlık çalışması ve nükleer durum denkleminin kısıtlanması
- Tez No: 637083
- Danışmanlar: PROF. DR. KUTSAL BOZKURT, PROF. DR. ELIAS KHAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Bu tezde öncelikle $\Lambda$ çiftleniminin hiperçekirdeklerin taban durum özelliklerine etkisi Hartree-Fock-Bogoliubov yaklaşımı ile incelenmiştir. NN kanalı için SLy5 Skyrme tipi kuvvet fonksiyoneli ve N $\Lambda$ kanalı için Brueckner-Hartree-Fock hesaplamalarından elde edilmiş 3 tip kuvvet seti kullanılmıştır: DF-NSC89, DF-NSC97a ve DF-NSC97f. Bu fonksiyoneller hafiften ağıra, bütün tek-$\Lambda$'lı hiperçekirdeklerin deneysel bağlanma enerjilerini yüksek doğrulukta yeniden üretmektedir. $\Lambda\Lambda$ kanalı için, $^6$He$_{\Lambda\Lambda}$ hiperçekirdeğinin deneysel bağ enerjisi olan 1 MeV değerini hesaplayan ampirik EmpC kuvvet seti kullanılmıştır. Yoğunluk fonksiyonel yaklaşımı ile, kapalı ve açık kabuk pek çok hiperçekirdek bu tez içerisinde hesaplanmıştır. Açık kabuk hiperçekirdekler için $\Lambda\Lambda$ çiftlenim etkileşimi hipernükleer madde hesaplarındaki BCS yaklaşımına dayanılarak tanımlanmıştır. Böylece hiperçekirdeklerdeki çiftlenim enerjisinin üst limiti ve çiftlenim etkileşmesinin hiperçekirdeklerin taban durum özelliklerine etkisi hesaplanmıştır. Bu çalışma sonucunda $\Lambda\Lambda$ çiftlenim etkileşmesinin hiperçekirdekten hiperçekirdeğe değişmesi ile beraber, çiftlenim etkisinden kaynaklı yoğuşma enerjisinin maksimum 3 MeV olduğu hesaplanmıştır. Ayrıca çiftlenim etkileşmesinin, nükleon ya da hiperon yoğunluk dağılımlarına ve kabuk yapısına sadece küçük düzeltmeler yaptığı ortaya çıkarılmıştır. Genellikle boş-dolu kabuklar arasındaki enerji farkı 3 MeV değerinden düşükse çiftlenim etkisinin ortaya çıktığı ve bu durumda hiperçekirdeğin yoğunluk dağılımlarını ve bağlanma enerjilerini değiştirdiği ortaya çıkarılmıştır. Ancak hiperçekirdeklerde spin-yörünge etkileşmesi çok küçük olduğu ve ihmal edildiğinden ötürü kabuklar arasındaki enerji farkı çoğunlukla 3 MeV değerinden fazladır. Dolayısı ile $\Lambda$ çiftlenim etkisinin pek çok hiperçekirdek için ihmal edilebilir olduğu görülmüştür. Buna ek olarak nükleon-$\Lambda$ çiftleniminin, Fermi enerjileri ve kabukların açısal momentumu arasındaki farklardan ötürü çoğunlukla sönümlendiği gösterilmiştir. Tezin ikinci kısmı nötron yıldızlarının durum denkleminin incelenmesine ayrılmıştır. Bu amaçla GW170817 kütle-çekim dalgası kaynaklı gel-git deformasyonu verilerini kullanarak, nükleer durum denklemleri hesaplanmıştır. Böylece nükleer fizikten elde edilen sınırlar ile kütle-çekim dalgasının tanımladığı sınırlar karşılaştırılarak, nükleer fizik ile gözlemsel kütle-çekim dalgasının işaret ettiği verileri arasındaki fark tartışılmıştır. Durum denklemleri, yarı-agnostik yaklaşım kullanılarak oluşturulmuş, Bayesian istatistik kullanılarak nötron yıldızının durum denklemi, nükleer fizikten bilinen ve astrofiziksel gözlemlerden elde edilen veriler ile sınırlandırılmıştır. Ab-initio $\chi$EFT kullanılarak oluşturulan nükleer fizik verisi ve izoskalar dev monopol rezonansı nükleer fizik kaynaklı sınırlayıcılar olarak kullanılmıştır. Nötron yıldızlarının maksimum kütlesi ve kütle çekim dalgası kaynaklı gel-git deformasyonu $\tilde{\Lambda}$ ise astrofizik kaynaklı sınırlayıcılar olarak kullanılmıştır. Bunun sonucu olarak posterior olasılık dağılım fonksiyonları nükleer ampirik parametreler üzerinden marjinalize edilerek ($L_\textrm{sym}$, $K_\textrm{sym}$, $Q_\textrm{sat}$ and $Q_\textrm{sym}$), her bir nükleer ampirik parametrenin olasılık dağılımları hesaplanmıştır. Bununla beraber kanonik nötron yıldızı kütlesi ( $1.4M_\odot$) için yarı çap dağılımı $R_{1.4}$ ve nükleer doyum yoğunluğunun 2 katında varolan basınç $P(2n_\textrm{sat})$ gibi gözlemsel verilerde bu tez içerisinde ayrıca hesaplanmıştır. Ayrıca $L_\textrm{sym}$-$K_\textrm{sym}$ ve $K_\textrm{sat}$-$Q_\textrm{sat}$ nükleer ampirik parametreleri arasındaki korelasyonlar da bu tez içerisinde gösterilmiştir. Bütün bunların akabinde nükleer fizik verileri ile kütle çekim dalgası verileri arasında özellikle $L_\textrm{sym}$ ve $R_{1.4}$ için çok büyük uyumsuzluklar gözlemlenmiştir. Bu uyumsuzluk nötron yıldızı çekirdeğinde, maddenin daha egzotik bir haline doğru faz değişimine işaret edebilir. Ayrıca kütle-çekim dalgasının ve dev izoskaler monopol rezonans kaynaklı $M_c$ değerinin ölçümsel doğruluğunun arttırılması, $K_\textrm{sat}$ ve $Q_\textrm{sat}$ parametrelerinin daha iyi belirlenmesinde rol oynayacağı sonucuna vardık.
Özet (Çeviri)
In this thesis, we first investigated the effect of $\Lambda$ pairing on the ground state properties of hypernuclei within the Hartree-Fock-Bogoliubov formalism. The SLy5 Skyrme functional is used in the NN channel, while for N$\Lambda$ channel we employ three functionals fitted from microscopic Brueckner-Hartree-Fock calculations: DF-NSC89, DF-NSC97a and DF-NSC97f. These functionals reproduce the sequence of single-$\Lambda$ experimental binding energies from light to heavy hypernuclei. For the $\Lambda\Lambda$ channel, we used the empirical prescription EmpC, calibrated to 1 MeV on the experimental bond energy in $^6$He$_{\Lambda\Lambda}$. Based on this density-functional approach, several nuclei have been studied with nucleon closed-shells and $\Lambda$ open-shells. A $\Lambda\Lambda$ pairing interaction is introduced, which magnitude is calibrated to be consistent with the maximum BCS predictions for the $\Lambda$ pairing gap in hypernuclear matter. In this way, we provide an upper bound for the prediction of the $\Lambda$ pairing gap and its effects in hypernuclei. We have shown that the effects of the $\Lambda\Lambda$ pairing depends on hypernuclei. The condensation energy is predicted to be about 3~MeV as a maximum value, yielding small corrections on density distributions and shell structure. Generally, we found that $\Lambda\Lambda$ pairing could be active if the energy gap between shells is smaller than 3~MeV. Under this condition, $\Lambda$ pairing could impact densities and binding energies. Since only a weak spin-orbit interaction is expected in the $\Lambda$ channel, $\Lambda$ states are highly degenerated and usually levels are distant by more than 3~MeV in energy. In summary, it is shown that the $\Lambda$-related pairing effect can usually be neglected in most of hypernuclei, except for hypernuclei which have a single particle gap lower than 3~MeV around the Fermi level. In addition, conditions on both Fermi energies and orbital angular momenta are expected to quench the nucleon-$\Lambda$ pairing for most of hypernuclei. The second part of the thesis is devoted to equation of states in neutron stars. We confronted the tidal deformability values extracted from the gravitational event GW170817 to nuclear physics constraints within a semi-agnostic approach for the dense matter equation of state. We used Bayesian statistics to combine together low density nuclear physics data, such as the ab-initio predictions based on $\chi$EFT interactions or the isoscalar giant monopole resonance, and astrophysical constraints from neutron stars, such as the maximum mass of neutron stars or the probability density function of the tidal deformability $\tilde{\Lambda}$ obtained from the GW170817 event. The posteriors probability distribution functions are marginalized over several nuclear empirical parameters ($L_\textrm{sym}$, $K_\textrm{sym}$, $Q_\textrm{sat}$ and $Q_\textrm{sym}$), as well as over observational quantities such as the $1.4M_\odot$ radius $R_{1.4}$ and the pressure at twice the saturation density $P(2n_\textrm{sat})$. The correlations between $L_\textrm{sym}$ and $K_\textrm{sym}$ and between $K_\textrm{sat}$ and $Q_\textrm{sat}$ are also further analyzed. It is found that there is a marked tension between the gravitational wave observational data and the nuclear physics inputs for the $L_\textrm{sym}$ and $R_{1.4}$ marginal probability distributions. This could be a hint for nucleons to more exotic particles phase transition inside of the core of neutron stars. We also conclude that increasing the accuracy on the determination of tidal deformability from the gravitational wave, as well as $M_c$ from the isoscalar giant monopole resonance, will lead to a better determination of $K_\textrm{sat}$ and $Q_\textrm{sat}$.
Benzer Tezler
- Kuantum monte carlo yaklaşımında parite izdüşümlü seviye yoğunluğu hesaplamaları
Parity-projected level density calculations in the quantum monte carlo approach
ENES AKYÜZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YEŞİM ÖKTEM
YRD. DOÇ. DR. CEM ÖZEN
- Sıvı-gaz faz geçiş bölgesinde damla oluşumları
Droplet formation in liquid-gas phase transition region
HAYATİ SALLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Fizik ve Fizik MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RIZA OĞUL
- Yıldızsı maddenin nötron proton oranlarının istatistiksel incelenmesi
Statistical investigation of neutron to proton ratios of stellar matter
MELEK İLTAR ÇİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Fizik ve Fizik MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİHAL BÜYÜKÇİZMECİ
- (n,α) reaksiyon tesir kesiti sistematiklerinin elde edilmesi ve Hauser-Feshbach model tanımlaması
Obtaining systematics of (n, α) reaction cross section and description of Hauser-Feshbach model definition
SEMA KÜÇÜKSUCU
Doktora
Türkçe
2022
Fizik ve Fizik MühendisliğiAksaray ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA YİĞİT
- Nadir toprak bölgesindeki tek-A'lı deforme çekirdeklerin elektrik dipol uyarılmalarının teorik olarak araştırılması
Theoretical investigations of the electric dipole excitations of the odd-A deformed nuclei in the rare-earth region
GAMZE HOŞGÖR
Doktora
Türkçe
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMRE TABAR