Thesis (MSc (Physics))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: The overall goal of this project is to study neutron star properties and locate the transition density from the core to the crust using fifteen parameter sets of the effective Skyrme nucleon-nucleon interaction within a method called the dynamical method. Although another approach used to describe nucleon-nucleon interactions called the modified Gogny interaction is briefly discussed in this work, along with a second method for locating the transition density called the thermodynamical method, results using this interaction and method were not generated, but lays some foundation for a PhD project to be undertaken and potentially showing the relation between the interactions and results. The importance of results depends on how well other theoretical approaches to the problem can reproduce those results and to what accuracy. For models to be valid there also has to be good agreement between the theoretical results and known observables. In this project some properties of neutron stars, such as the equation of state, saturation density, binding energy, symmetry energy, slope and incompressibility parameters of symmetry energy are studied. The transition density is located using the dynamical method. Results of the fifteen Skyrme parameter sets show excellent agreement with the published values of the properties of neutron stars and are consistent with their empirical values inferred from nuclear laboratory data, thus validating the use of the Skyrme interactions for describing nuclear matter. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die hoofdoel van hierdie projek is om neutron ster eienskappe te bestudeer en die oorgangsdigtheid vanaf die kors na die kern te vind deur gebruik te maak van vyftien parameter stelle van die effektiewe Skyrme nukleon-nukleon interaksie binne ‘n metode genaamd die dinamiese metode. Alhoewel ‘n ander benadering vir die beskrywing van nukleon-nukleon interaksies, genaamd die gewysigde Gogny interaksie kortliks in hierdie werk beskryf word, asook ‘n tweede metode, genaamd die termodinamiese metode om die oorgangsdigtheid te bepaal, was resultate vir hierdie interaksie en metode nie gegenereer nie, maar l die fondasie vir verdere werk aan ‘n PhD projek wat die verband tussen die twee interaksies en resultate kan wys. Die belangrikheid van resultate hang af van hoe goed ander teoretiese benaderinge tot die problem daardie resultate kan herproduseer en tot watter akkuraatheid. Vir modelle om geldig te wees moet daar ook goeie ooreenkomste wees tussen teoretiese resultate en bekende waarneembare eienskappe. In hierdie projek word sommige eieskappe van neutron sterre, soos die toestandandsvergelyking, versadigingsdigtheid, bindingsenergie, simmetrie-energie, gradiënt en onsaampersbaarheids parameters van die simmetrie-energie bestudeer. Die oorgangsdigtheid word dan gevind deur gebruik te maak van die dinamiese metode. Resultate van die vyftien Skyrme interaksie parameter stelle wys goeie ooreenstemming met die gepubliseerde waardes van die eienskappe van neutron sterre en is konsistent met hulle empiriese waardes afgelei van kern laboratorium data, wat die geldigheid van Skyrme interaksies vir die beskrywing van kernmaterie bevestig.

Graduation date: 1992

Le but de cette thèse est de construire un modèle décrivant la matière nucléaire symétrique et asymétrique dans une approche relativiste incluant des effets de la chromodynamique quantique, en particulier la symétrie chirale et le confinement. Le système considéré est une assemblée de nucléons en interaction {\it via} l'échange de mésons. L'attraction est assurée par la présence d'un champ scalaire invariant chiral lié aux fluctuations du condensat de quarks. La saturation est obtenue après ajout de la réponse scalaire nucléo- nique liée à la sous-structure en quarks du nucléon. Les paramètres liés au secteur scalaire de l'interaction et au confinement des quarks dans le nucléon sont estimés à partir de données sur réseau. Le reste des paramètres est contraint autant que possible par la phénoménologie hadronique. Le modèle n'est ainsi quasiment pas ajustable, le fait qu'il donne de si bons résultats constitue l'originalité de ce travail de thèse. Dans un premier temps, nous avons choisi de travailler à l'approximation de champ moyen dans le schéma Hartree--Fock. La propagation du champ scalaire dans les termes de Fock conduit à des effets de réarrangement qui permettent de satisfaire le théorème de Hugenhotz--Van Hove. Nous soulignons également le rôle du terme tenseur du $\rho$ dans l'énergie d'asymétrie ainsi que dans la dépendance en isospin de la masse effective de Landau. Enfin, nous donnons l'équation d'état des étoiles à neutrons prédite par ce modèle. Dans un deuxième temps, nous avons décidé d'inclure des effets au-delà du champ moyen en incluant l'énergie de corrélation due aux boucles de pions. Un ingrédient important est l'introduction d'un paramètre de Landau--Migdal contrôlant les interactions à courte portée. L'énergie de corrélation améliore la description des propriétés de la matière nucléaire au niveau du point de saturation. / This work aims at constructing a model for symmetric and asymmetric nuclear matter in a relativistic approach including effects from quantum chromodynamics, in particular chiral symmetry and confinement. We consider an assembly of nucleons interacting via meson exchange. The attraction is due to a chiral invariant scalar field associated with the fluctuations of the chiral condensate. The inclusion of scalar nucleonic effects due to the quark substructure of the nucleon ensures the saturation to occur. The parameters corresponding to the scalar sector of the interaction and to the quarks confinement in the nucleon are obtained from lattice calculations. The rest of the parameters are obtained as much as possible by hadron phenomenology. With such constrained inputs, the results are nevertheless very good: this constitutes the originality of this work. In one part, we chood to work at the mean-field level in the Hartree--Fock scheme. The propagation of the scalar field in the Hartree-Fock terms induce some rearrangement effects which play an essential role in the Hugenhotz--Van hove theorem. We discuss also the role of the tensor part of the $\rho$ interaction in the symmetry energy and the isospin dependance of the Landau effective mass. Then, in the idea to enlarge this work to neutron stars, we give the equation of state predicted by our model. The last step corresponds to the introduction of effects after the mean-field including the correlation energy due to pion loops. An important ingredient is the Landau-Migdal parameter controling short range interactions. The correlation energy enhances the description of the saturation point of nuclear matter

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第21571号 / 理博第4478号 / 新制||理||1642(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)准教授 菅沼 秀夫, 教授 永江 知文, 教授 田中 貴浩 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Les phénomènes de clustering caractérisent plusieurs domaines des sciences naturelles et de la sociologie. Ils consistent en l'auto-organisation de groupes d'objets en sous-groupes corrélés, en introduisant des symétries et, dans certains cas, un certain degré d'ordre dans le système global. En physique nucléaire, ces aspects représentent l'un des effets les plus fascinants induits par le principe de Pauli dans les noyaux. Leur investigation est un outil extrêmement puissant pour comprendre le comportement des forces nucléaires dans les systèmes d’N corps avec interactions les unes les autres. Dans ce thèse, je discute des résultats d'une campagne expérimentale qui explore les aspects de clustering dans les systèmes nucléaires légers à partir d'une approche multi-méthodique et en utilisant des techniques différentes et complémentaires. Le travail commence avec le noyau 10Be, prévu pour être constitué par une structure de cluster moléculaire de deux particules alpha liées par les deux neutrons de valence supplémentaire. L'expérience a été réalisée avec des faisceaux de 10Be produits au laboratoire INFN-LNS avec la technique de fragmentation des projectiles FRIBs. À travers des techniques de corrélation particule-particule, des signaux d'un nouvel état appartenant possiblement à la bande de rotation moléculaire de 10Be ont été observés. Autres noyaux appartenants à la chaîne isotopique du carbone ont également été étudiés pour comprendre comment les phénomènes de clustering évoluent avec l'excès de neutrons. Pour 11C et 13C, nous avons utilisé les réactions nucléaires 10B(p,a) et 9Be(a,a), respectivement, à basse énergie. Ces mesures ont été conduites à l'accélérateur TANDEM de Naples. Les sections efficaces différentielles et les distributions angulaires, ainsi que autres données disponibles dans la littérature, ont été reproduites par des calculs R-matrix, ce qui nous a permis d'affiner la structure de ces noyaux et de suggérer l'existence d'états à cluster.Le noyau 16C a été étudié avec la même configuration expérimentale utilisée dans le cas du 10Be mais avec un faisceau secondaire très intense. J'ai observé des contributions non négligeables dans les voies de désintégration à deux et à trois corps pour le 16C, voies qui représentent des désintégrations extrêmement rares. Enfin, l'état de Hoyle dans 12C (7.654 MeV,0+) a été étudié avec une expérience de haute précision en utilisant la réaction 14N(d,a) à 10,5 MeV à INFN-LNS. L'étude a fourni un limite supérieure pour la voie de désintégration directe en trois alpha avec une précision sans précédent. Ce résultat, qui améliore d'un facteur 5 l'état actuel de la technique, fournit une contrainte importante aux modèles de structure théorique ainsi qu'aux calculs de nucléosynthèse stellaire responsables de l'origine des éléments dans l'univers. Les phénomènes de clustering ont également été étudiés dans les noyaux 19F et 20Ne avec la réaction 19F(p,a) à très basse énergie à l'accélérateur AN-2000 de l'INFN-LNL. Une analyse par R-matrix de la section efficace intégrée a été utilisée pour fournir des informations sur la structure du noyau composé 20Ne avec des implications astrophysiques sur le cycle CNO dans les étoiles. J'ai également étudié les collisions entre les ions lourds à des énergies intermédiaires pour explorer les phénomènes de clustering dans la matière nucléaire diluée et chaude. J'ai développé un modèle thermique des corrélations particules-particules pour décrire la population d'états non liés produits lors de l'évolution des collisions Ar+Ni violentes à 32-95 MeV par nucléon. Les limites d'une approche purement thermique dans un tel système dynamique ont été discutées, avec des idées possibles pour expliquer le mécanisme qui peuplent les états internes dans les noyaux 8Be en discutant l'interconnexion entre la thermodynamique et les effets d'interaction d’état final. Ces études sont importants pour décrire la formation de clusters dans la matière nucléaire. / Clustering phenomena characterise several fields of natural sciences and sociology. They consist on the self-organisation of groups of objects in correlated sub-groups, introducing symmetries and, in some cases, a certain degree of order in the overall system. In nuclear physics, these aspects represent one of the most fascinating effects induced by the Pauli principle in nuclei. Their investigation is an extremely powerful tool to understand the behaviour of nuclear forces in N-body interacting systems. In this thesis, I discuss the results of an experimental campaign that explores clustering aspects in light nuclear systems from a multi-methodic approach and by using different and complementary techniques.The work start with the 10Be nucleus, predicted to be constituted by a molecular cluster structure of two alpha particles kept bound by the two extra valence neutrons. The experiment has been performed with 10Be beams produced at the INFN-LNS laboratory with the FRIBs projectile fragmentation technique. By means of particle-particle correlation techniques, signals of a new state possibly belonging to the 10Be molecular rotational band were observed. Other nuclei along the carbon isotopic chain were also investigated to understand how clustering phenomena evolve with neutron excess. For 11C and 13C we used 10B(p,alpha) and 9Be(alpha,alpha) nuclear reactions, respectively, at low energies. These measurements were made at the tandem accelerator in Naples. Measured Differential cross sections and angular distributions, together with other data available in the literature, were reproduced by R-matrix calculations, which allowed us to refine the spectroscopy of such nuclei and suggest the existence of cluster states, possibly members of molecular rotational bands. The 16C nucleus was investigated with the same setup used in the 10Be case with a very intense secondary beam. I have observed non vanishing yields in both two-body and three-body cluster disintegration channels for 16C which represent extremely rare decays. Finally, the Hoyle state in 12C (7.654 MeV, 0+) was investigated in a high-precision experiment by using the 14N(d,a) reaction at 10.5 MeV at INFN-LNS. The study has provided an upper limit to the direct three-alpha decay process of such state with an unprecedented precision. This result, which improves of a factor 5 the existing state of the art, provides important constraint to theoretical structure models as well as to stellar nucleosynthesis calculations aiming at revealing the origin of elements in the universe. Clustering phenomena have also been studied in 19F and 20Ne nuclei with the 19F(p,a) reaction at very low energies at the AN-2000 accelerator of the INFN-LNL. An R-matrix analysis of the integrated cross-section was used to provide information on the structure of the 20Ne compound nucleus with its astrophysical implications on the CNO cycle in stars.I have also used heavy ion collisions at intermediate energies to explore clustering phenomena in dilute and hot nuclear matter. I have developed a thermal model of particle-particle correlations whit the aim of describing the population of decaying unbound states produced during the evolution of violent Ar+Ni collisions at 32-95 MeV per nucleon. The limitations of a purely thermal approach in such a dynamical system have been discussed, with possible ideas to explain the mechanism which populate internal states in 8Be cluster states accounting for the interplay of thermodynamics with final state interaction effects. Such studies are relevant to model cluster formation in nuclear matter.

<p> An investigation is carried out to see whether a nonsingular two-nucleon velocity-dependent potential can give similar results as those of a model hard-core potential in the a-state in nuclear-matter. Reasons for failure of some earlier velocity-dependent model potentials to give saturation in nuclear-matter at reasonable densities are examined and a new velocity-dependent potential is proposed which gives results similar to the model hard-core potential. </p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Les étoiles à neutrons sont parmi les objets les plus extrêmes dans l'univers. Elles sont des étoiles compactes, nées à la suite d'une explosion de supernova gravitationnelle, au point final de l'évolution stellaire. Le champ gravitationnel y est très fort, et la matière à l'intérieur atteint des densités extrêmement élevées. Elles sont donc des "laboratoires" prometteurs, non seulement pour tester le régime de champ fort en relativité générale, mais aussi pour en apprendre davantage sur la physique nucléaire à haute densité, qui actuellement ne peut pas être reproduit avec des expériences terrestres. Ainsi, les étoiles à neutrons nous permettent d'adresser des questions telles que l'existence éventuelle de particules autres que nucléons à haute-densité. À cause de la naissance violente de ces objets, les étoiles à neutrons très jeunes, que l'on appelle proto-étoiles à neutrons, sont également très chaudes, et souvent en rotation différentielle rapide. Dans cette thèse nous avons pour but de développer un modèle stationnaire d'une telle proto-étoile à neutrons.Ainsi, nous présentons une nouvelle méthode pour calculer numériquement les équations d'équilibre d'un fluide parfait relativiste, axisymétrique et stationnaire, en rotation différentielle et à température finie, valable pour une équation d'état réaliste. Nous présentons en détail le code (accessible au public) développé. Nous avons appliqué ce code avec des nouvelles équations d'état réalistes à température finie, basée sur une théorie relativiste du champ moyen, en incluant tous les degrés de liberté hyperoniques. Nous avons calculé des modèles relativistes stationnaires de proto-étoiles à neutrons en rotation différentielle rapide. Nous allons discuter les applications de nos modèles pour explorer plus en détail la physique de ces objets. / Neutron stars are among the most extreme objects in the universe. They are compact stars born as the aftermath of a core-collapse supernova explosion, at the endpoint of stellar evolution, with a strong gravitational field, and extremely high densities. They are therefore promising 'laboratories', not only to test the strong-field regime of general relativity, but also to learn about nuclear physics in the high density regime, which presently is not accessible in earth based experiments. This allows to address questions such as the possible existence of particles other than nucleons at high-densities. As a consequence of the violent birth of these objects, new-born (proto-)neutron stars are extremely hot and, in general, rapidly rotating, which raises interesting problems in the task of developing a stationary model of such objects.In this thesis, we present a new self-consistent method to numerically compute the equilibrium equations of stationary axisymmetric relativistic (differentially) rotating perfect fluids at finite temperature, with a realistic equation of state. We introduce in detail the (publicly available) code in which we implemented the described numerical scheme. We use newly developed realistic equations of state with finite temperature, which are based on density dependent relativistic mean field theory, and in which all hyperonic degrees of freedom are included, to compute realistic stationary relativistic models of rapidly differentially rotating proto-neutron stars. We discuss future applications of our code for further exploring the physics of proto-neutron stars.

<p>When modelling the collapse of massive stars leading to supernova explosions and the cooling of neutron stars, understanding the microphysical processes, such as the interaction of neutrinos within a dense medium are of vital importance. The interaction of neutrinos with nucleons (neutrons and protons) is altered by the presence of the medium, compared to the same process with free nucleons. Neutrino scattering and production processes may be characterized in terms of the excitations that are created or destroyed in the nuclear medium. One way to analyse the effects of the medium is by using Landau's theory of normal Fermi liquids. This theory gives simple relationships between physical quantities such as the spin susceptibility or the response to a weak interaction probe in terms of Landau parameters, that are measures of the interaction between quasiparticles. One problem when using Landau Fermi liquid theory for nucleon matter is that the interaction has a tensor component. The tensor interaction does not conserve the total spin and, as a consequence, there are generally contributions to long-wavelength response functions from states that have more than one quasiparticle-quasihole pair in the intermediate state. Such contributions cannot be calculated in terms of Landau parameters alone, since in the usual formulation of Landau theory, only singlepair excitations are considered. In this thesis three problems are addressed. First, we obtain bounds on the contributions from more than one quasiparticle-quasihole pair by using sum-rule arguments. Second, we derive expressions for static response functions allowing for the tensor components of the interaction. We analyse which the most important effects are on the static response of nucleon matter, and find that the major contributions comes from renormalization of coupling constants and transitions to states with more than one quasiparticle-quasihole pair. Third, we show how contributions to the dynamical response coming from states containing two quasiparticle-quasihole pairs may be evaluated in terms of Landau theory if one allows for the effect of collisions in the Landau kinetic equation. We consider the case of asymmetric nuclear matter, and our work goes beyond earlier works in that they contain the effects of collisions in addition to those of the mean field.</p>

When modelling the collapse of massive stars leading to supernova explosions and the cooling of neutron stars, understanding the microphysical processes, such as the interaction of neutrinos within a dense medium are of vital importance. The interaction of neutrinos with nucleons (neutrons and protons) is altered by the presence of the medium, compared to the same process with free nucleons. Neutrino scattering and production processes may be characterized in terms of the excitations that are created or destroyed in the nuclear medium. One way to analyse the effects of the medium is by using Landau's theory of normal Fermi liquids. This theory gives simple relationships between physical quantities such as the spin susceptibility or the response to a weak interaction probe in terms of Landau parameters, that are measures of the interaction between quasiparticles. One problem when using Landau Fermi liquid theory for nucleon matter is that the interaction has a tensor component. The tensor interaction does not conserve the total spin and, as a consequence, there are generally contributions to long-wavelength response functions from states that have more than one quasiparticle-quasihole pair in the intermediate state. Such contributions cannot be calculated in terms of Landau parameters alone, since in the usual formulation of Landau theory, only singlepair excitations are considered. In this thesis three problems are addressed. First, we obtain bounds on the contributions from more than one quasiparticle-quasihole pair by using sum-rule arguments. Second, we derive expressions for static response functions allowing for the tensor components of the interaction. We analyse which the most important effects are on the static response of nucleon matter, and find that the major contributions comes from renormalization of coupling constants and transitions to states with more than one quasiparticle-quasihole pair. Third, we show how contributions to the dynamical response coming from states containing two quasiparticle-quasihole pairs may be evaluated in terms of Landau theory if one allows for the effect of collisions in the Landau kinetic equation. We consider the case of asymmetric nuclear matter, and our work goes beyond earlier works in that they contain the effects of collisions in addition to those of the mean field.

Les sondes dures apparaissent comme l'un des sujets les plus excitant de la Physique des hautes énergies. Les mécanismes de production des quarkonia (mésons formés par l'état lié quark-antiquark charmé ou beau) dans les collisions hadroniques sont particulièrement intéressants. La suppression du J/ψ et des autres charmonia a été prédites comme l'une des signatures de la formation du Plasma de Quark et de Gluons (PQG), suppression déjà observée au SPS et au RHIC. De nombreuses études de la suppression des charmonia ont également été menées au LHC. Cependant, d'autres effets sont susceptibles de modifier la production de charmonia sans requérir la formation d'un QGP. Ces effets, inhérents aux collisions impliquant des noyaux, sont appelés effets nucléaires froids ou CNM («Cold Nuclear Matter»). Ils peuvent être étudiés dans les collisions p-Pb. Cette thèse est dédiée à l'analyse de la production de J/ψ dans les collisions p-Pb collisions à une énergie dans le centre de masse de 5.02 TeV par paire de nucléon au LHC. La production de J/ψ est étudiée en fonction de l'impulsion transverse, de la rapidité et de l'activité de la collision. Ces résultats apportent une contribution significative dans la compréhension des effets CNM et dans l'établissement d'une référence pour l'interprétation de la production de J/ψ dans les collisions Pb-Pb. / Hard probes represent one of the hottest topics of the modern high energy physics. The production mechanism of quarkonia (mesons composed of a charm or beauty quark and its antiquark) in hadronic collisions is of particular interest. The suppression of J/ψ and other charmonium states was predicted as one of the first signatures of the Quark Gluon Plasma (QGP) formation and was seen at RHIC and SPS. It was also studied at the LHC in Pb-Pb collisions. However, other effects can affect the charmonium production in Pb-Pb collisions without the presence of the QGP. These effects are inherent to the use of nuclei and are called «Cold Nuclear Matter» (CNM) effects. They can be studied in p-Pb collisions. This thesis is dedicated to the studies of J/ψ production in p-Pb collisions at the LHC at a center of mass energy of 5.02 TeV per nucleon pair. J/ψ production is studied as a function of transverse momentum, rapidity and event activity. These results represent a significant step to better understanding of the CNM effects and to the establishment of a reference for J/ψ production in Pb-Pb collisions.