Nuclear Physics in Neutron Stars: Study of Superfluidity in Hypernuclei and Constraining the Nuclear Equation of State
Creators
- Gueven, Hasim Zahid
- Universite de Paris-Saclay, Espace Technologique/Immeuble Discovery, Route de l'Orme aux Merisiers RD 128/91190 Saint-Aubin (France)
- Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irene Joliot-Curie - IJCLab, IRSN, 31, avenue de la Division Leclerc 92260 Fontenay-aux-Roses (France)
- Yildiz Teknik Universitesi, Istanbul (Turkey)
Description
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 6HeΛΛ. 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 chiral 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 obtained from the GW170817 event. The posteriors probability distribution functions are marginalized over several nuclear empirical parameters (Lsym, Ksym, Qsat and Qsym), as well as over observational quantities such as the 1.4 Msun radius R1.4 and the pressure at twice the saturation density P(2nsat). The correlations between Lsym and Ksym and between KSat and Qsat 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 Lsym and R1.4 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 Mc from the isoscalar giant monopole resonance, will lead to a better determination of KSat and Qsat
Abstract (French)
Dans cette these nous avons d'abord etudie l'effet du paring Lambda sur les proprietes des hypernoyaux dans le formalisme Hartree-Fock Bogoliubov. La fonctionnelle de Skyrme SLy5 est utilisee dans le canal nucleon-nucleon alors que 3 fonctionelles fittees sur les calculs microscopiques Brueckner Hartree-Fock sont utilisees dans le canal N?: DF-NSC89, DF-NSC97a et DF-NSC97f. Ces fonctionnelles decrivent la sequence des energies de liaison experimentales a un lambda, des hypernoyaux legers aux hypernoyaux lourds. Dans le cas du canal Lambda-Lambda, nous avons utilise la prescription empirique EmpC, ajustee a 1 MeV sur l'energie experimentale de liaison dans le 6HeΛΛ. A l'aide de cette approche de la fonctionnelle de la densite, plusieurs noyaux ont ete etudies, avec des couches nucleoniques fermees et des couches ouvertes en Lambda. Une interaction d'appariement Lambda-Lambda est introduite, dont la magnitude est ajustee pour etre consistante avec la valeur maximale des predictions BCS pour le gap d'appariement Lambda dans la matiere hyperonique. Nous donnons ainsi une valeur maximale pour la prediction du gap d'appariement Lambda et ses effets dans les hypernoyaux. Nous avons montre que les effets de l'appariement LL dependent de l'hypernoyau considere. L'energie correspondante de condensation est de l'ordre de 3 MeV au maximum, ce qui entraine de faibles corrections sur les distributions de densite et la structure en couches. De maniere generale, nous avons trouve que l'appariement Lambda-Lambda peut etre important si l'ecart en energie entre les couches est plus petit que 3 MeV. A cette condition, l'appariement Lambda peut impacter les densite et les energies de liaison. En resume, il est montre que l'effet de l'appariement relie aux Lambda peut etre en general neglige dans la plupart des hypernoyaux, sauf pour les ceux ayant un ecart typique dans le spectre a une particule plus petit que 3 MeV autour du niveau de Fermi. De plus, les conditions sur a la fois les energies de Fermi et les moments angulaire orbitaux attenuent l'appariement nucleon-Lambda pour la plupart des hypernoyaux. La deuxieme partie de la these est devolue aux equations d'etat dans les etoiles a neutrons. Nous avons confronte les valeurs des deformabilite de maree extraites de l'evenement d'onde gravitationnelle GW170817, aux contraintes issues de la physique nucleaire a l'aide d'une approche semi-agnostique pour l'equation d'etat de la matiere dense. Nous avons utilise les statistiques Bayesienne pour combiner les donnees de physique nucleaire a basse densite, comme les predictions ab initio provenant des interactions chirales EFT ou la resonance geante monopolaire isoscalaire, et les contraintes astrophysiques des etoiles a neutrons, comme leur masse maximale, ou la fonction densite de probabilite de la deformabilite de maree obtenue de l'evenement GW170817. Les fonctions posterieures de densite de probabilite sont marginalisees sur plusieurs parametres nucleaires empiriques (Lsym, Ksym, Qsat et Qsym), et aussi sur des grandeurs observationnelles des etoiles a neutrons comme la masse et le rayon a 1.4 masses solaires, ou la pression a deux fois la densite de saturation P(2nsat). Les correlations entre Lsym et Ksym, et entre KSat et Qsat sont aussi analysees. Une tension importante entre les donnees observationnelles d'ondes gravitationnelles et les inputs de physique nucleaire est trouvee pour les distributions marginales de probabilite de Lsym et R1.4. Ceci pourrait etre une indication d'une transition de phase de nucleons vers des particules plus exotiques dans le coeur des etoiles a neutrons. Nous trouvons aussi qu'augmenter la precision sur la determination de la deformabilite de maree a partir des ondes gravitationnelles, ou sur Mc a partir de la resonance geantes monopolaire, devrait aboutir a une meilleure determination de KSat et Qsat. (author)
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Additional titles
- Original title (English)
- Physique nucleaire dans les etoiles a neutrons: etude de la superfluidite dans les hypernoyaux et contraintes sur les equations d'etat
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 153 p.
- Report number
- FRNC-TH--13078
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 53074916
- Subject category
- S79: ASTROPHYSICS, COSMOLOGY AND ASTRONOMY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- EQUATIONS OF STATE; GRAVITATIONAL WAVES; HYPERNUCLEI; NEUTRON STARS; NUCLEAR STRUCTURE; SUPERFLUIDITY
- Descriptors DEC
- EQUATIONS; NUCLEAR FRAGMENTS; NUCLEI; STARS
Optional Information
- Notes
- 174 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses