Diffusion nucléon-nucléon dans la théorie des champs effective chirale covariante

Nucleon-nucleon scattering in covariant chiral effective field theory

• Auteur / Autrice : Yang Xiao
• Direction : Ubirajara Van Kolck, Li-Sheng Geng
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et réactions nucléaires
• Date : Soutenance le 03/06/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Beihang university (Pékin)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jie Meng
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bingwei Long, Shilin Zhu, Shangui Zhou, Yujie Zhang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bingwei Long, Norbert Kaiser

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonances baryoniques

Champs, Théorie des (physique)

Forces nucléaires (physique)

Mots clés libres

Interaction nucléaire

Théorie des champs chirale covariante

Théorie des perturbations chirales

Théorie des champs de baryon lourd

Résonance de Roper

Nuclear force

Covariant chiral effective field theory

Chiral perturbation theory

Heavy baryon effective field theory

Roper resonance

Résumé

L'étude de la structure et des réactions nucléaires sur la base d'interactions nucléaires microscopiques est un sujet central de la physique nucléaire depuis ses débuts. Cependant, des problèmes délicats ancrés dans les interactions nucléaires microscopiques conventionnelles - par exemple, l de diffusion neutron-deutéron Ay qui n'a pas été décrit de manière cohérente même avec l'inclusion des forces à trois nucléons --- exigent des études supplémentaires de l'interaction nucléaire dans une approche modèle-indépendant. Ces dernières années, de nombreuses études concernant la structure, les réactions et l'astrophysique nucléaires dans un cadre covariant --- telles que la théorie de la fonctionnelle de la densité covariante, la méthode de Dirac-Bruckner-Hartree-Fock et la phénoménologie de Dirac --- ont connu un grand succès, soulignant l'importance de l'invariance de Lorentz dans les systèmes nucléaires. Cependant, en raison de l'absence de forces nucléaires chirales covariantes de haute précision, le potentiel CD-Bonn est largement utilisé dans les méthodes relativistes actuels du traitement du problème à N-corps, ce qui peut être considéré comme un compromis satisfaisant. Cela motive l'étude de l'interaction nucléaire dans le cadre de la théorie des champs effectifs chiraux covariants afin de fournir des informations supplémentaires sur les schémas mentionnés précédemment et d'explorer si l'interaction nucléaire chirale covariante peut surmonter des problèmes de longue date. En outre, la plupart des interactions nucléaires chirales actuelles ne prennent en compte que l'état fondamental des nucléons, les contributions des états excités baryoniques étant reléguées aux constantes de basse énergie (LEC) d'ordre supérieur. Il a été prouvé que l'inclusion explicite du ∆(1232) améliore la convergence de l'interaction nucléaire chirale. Cependant, par rapport aux études exhaustives de l'interaction nucléaire chirale ∆, le rôle de la résonance de Roper (N(1440)) est encore inconnu.Puisque la masse de Roper n'est que d'environ 200 MeV plus importante que celle de ∆(1232), sa contribution à l'interaction nucléaire doit également être étudiée. Dans cette thèse, nous dérivons les paramètres d'entrées critiques pour la construction des interactions nucléaires chirales covariantes de haute précision et quantifions les contributions de la résonance de Roper à la force nucléaire chirale : On adopte ici une version covariante de l'analyse dimensionnelle naïve et construisons un lagrangien de contact à deux nucléons contraint par les symétries de Lorentz, la parité, la conjugaison de charges et la conjugaison hermitienne. À l'aide de la théorie des perturbations chirale baryonique covariante, nous calculons les contributions d'échange à deux pions (TPE) au premier ordre et à l'ordre suivant à l'interaction nucléon-nucléon (NN) jusqu'à l'ordre O(q³). Ceci nous permet de vérifier les corrections relativistes de la partie moyenne portée de l'interaction NN. Les corrections relativistes jouent un rôle important dans les ondes F, en particulier l'onde partielle ³F₂. Nous dérivons les composantes à longue portée du potentiel TPE NN avec une résonance intermédiaire de Roper. Nous montrons que la contribution de Roper est importante pour les ondes D et améliore légèrement la description des déphasages pour toutes les ondes partielles. Le travail présenté dans cette thèse représente un élément essentiel pour la construction d'interactions nucléaires chirales covariantes de haute précision, ainsi que d'interaction nucléaire chirale avec des résonances baryoniques explicites.

Studying nuclear structure and nuclear reactions based on the microscopic nuclear forces has been a central topic in nuclear physics since its inception. However, tricky puzzles rooted in conventional microscopic nuclear forces --- for example, the neutron-deuteron scattering analyzing power Ay which has not been described consistently even with the inclusion of three-nucleon forces --- demand further studies of the nuclear force in a model-independent approach. In recent years, countless studies of nuclear structure, reactions, and astrophysics in a covariant framework --- such as covariant density functional theory, the Dirac-Bruckner-Hartree-Fock method, and Dirac phenomenology --- have achieved great success, highlighting the importance of Lorentz invariance in nuclear systems. However, due to lack of high-precision covariant chiral nuclear forces, the CD-Bonn potential is widely used in present nuclear relativistic many-body methods, which can be regarded as a compromise. This motivates the study of the nuclear force in covariant chiral effective field theory to provide further insights to the aforementioned schemes, and to explore whether the covariant chiral nuclear force can overcome longstanding problems. In addition, most of the present chiral nuclear forces contain only the ground-state nucleon, with the contributions from baryon excited states relegated to higher-order low-energy constants (LECs). The explicit inclusion of the ∆(1232) has been proven to improve the convergence of the chiral nuclear force. However, compared with the comprehensive studies of the ∆-full chiral nuclear force, the role of Roper resonance (N(1440)) is still unknown. Since the Roper mass is only about 200 MeV larger than the ∆(1232)'s, its contribution to the nuclear force also needs to be studied. In this thesis, we derive the critical input to the construction of high-precision covariant chiral nuclear forces and quantify the contributions to the chiral nuclear force from the Roper resonance: We adopt a covariant version of naive dimensional analysis and construct the two-nucleon contact Lagrangian constrained by Lorentz, parity, charge conjugation, and hermitian conjugation symmetries. Employing the covariant baryon chiral perturbation theory, we calculate the leading- and next-to-leading-order two-pion exchange (TPE) contributions to nucleon-nucleon (NN) interaction up to order O(q³). The relativistic corrections play an important role in F waves, especially the ³F₂ partial wave. We derive the long-range components of the NN TPE potential with an intermediate Roper resonance. Leading-order interactions in heavy baryon chiral perturbation theory are considered. We show that the Roper contribution is sizeable for D waves and improves slightly the description of phase shifts for all the partial waves. The work presented in this thesis is an essential building block for the construction of high-precision covariant chiral nuclear forces, as well as the chiral nuclear force with explicit baryon resonances.