Spin-Isospin Excitations in Exotic Nuclei and Astrophysically Relevant Weak Interaction Rates

-       Projekt financiran od strane fonda “Jedinstvo uz pomoć znanja”, Hrvatska

Vrijednost projekta: 84417 EUR

Prof. dr. sc. Nils Paar

1.9.2008-31.8.2010.

Reintegration Grant (3B)

Prirodoslovno-matematički fakultet

Sveučilište u Zagrebu

Osnovni cilj projekta je uspostava nezavisne istraživačke karijere voditelja i postavljanje znanstvene infrastrukture za izvođenje temeljnih istraživanja u sinergiji teorijske nuklearne fizike i astrofizike, koja ujedinjuje modeliranje složenih fizikalnih sustava i napredne metode računarstva. Projekt će omogućiti prijenos znanja i vještina koje je voditelj stekao dugogodišnjim radom na inozemnim sveučilištima u Hrvatsku. Predviđen je razvoj moderne mikroskopske teorije za numeričko rješavanje problema mnoštva čestica na temelju relativističkih energijskih funkcionala gustoće. Istraživanja će uključivati samosuglasni opis osnovnog stanja atomske jezgre, astrofizički značajna pobuđenja sa izmjenom naboja, i potragu za novim egzotičnim kolektivnim pobuđenjima koja uključuju spinske i izospinske stupnjeve slobode u slabo vezanim jezgrama. Planirana su istraživanja procesa koji značajno doprinose stvaranju kemijskih elemenata u svemiru, a uključuju egzotične jezgre: beta raspad, uhvat elektrona, međuigra beta raspada i uhvata elektrona u kolapsu supernove, neutrino-jezgra međudjelovanje, odziv jezgre na neutrine sa supernove i Sunca, i neutrino nukleosinteza. Od posebnog značaja je razvoj novog teorijskog opisa neutrino-jezgra udarnih presjeka za detektore neutrina i studije izvedivosti ubrzivača za produkciju neutrina niskih energija. Predviđeni teorijski okvir bit će zasnovan na relativističkim energijskim funkcionalima gustoće napredniji od najboljih raspoloživih modela, i omogućit će potpuno samosuglasni opis astrofizički značajnih pobuđenja i reakcija potrebnih za pouzdano modeliranje nukleosinteze i dinamike supernove. S obzirom da predviđena istraživanja zahtjevaju značajne računalne resurse, jedan od ciljeva ovog projekta je uspostava računalnog centra teorijske fizike i astrofizike, kao značajnog računalnog središta u Hrvatskoj, za razvoj modernih metoda matematičkog modeliranja kompleksnih fizikalnih sustava i paralelnog programiranja u složenim proračunima. Planirani računalni resursi omogućit će ne samo izvođenje planiranih istraživanja, nego i prijenos znanja na studente tijekom izrade diplomskih, magistarskih i doktorskih radova. Projekt će omogućiti voditelju i da uspostavi temelje međunarodne suradnje sa znanstvenicima na tri značajna europska sveučilišta, čime će doprinijeti integraciji hrvatske znanosti u europske okvire.

Temeljni cilj ovog projekta je razvoj mikroskopske teorije i računalnih kodova za opis egzotičnih modova pobuđenja u atomskim jezgrama izvan doline stabilnosti i procesa slabe interakcije nabijenih i neutralnih leptona sa jezgrama. Centralni dio formalizma zasnovan je na energijskim funkcionalima gustoće, koji omogućuju potpuno samosuglasni opis osnovnog stanja i pobuđenja atomske jezgre. Osim relativističkog energijskog funkcionala gustoće, Skyrme funkcionali su također primijenjeni u modeliranju astrofizički značajnih udarnih presjeka slabe interakcije.

Najvažniji rezultati projekta uključuju:

1) Razotkrivanje prirode egzotičnih pobuđenja u atomskim jezgrama

Istražena su spinsko-izospinska pobuđenja, uključujući spin-flip izospin-flip i spin-dipolne rezonancije. Analiza strukture ovih pobuđenih stanja u jezgrama bogatim neutronima pokazala je da jednočestični prijelazi dominiraju niskoležećim stanjima. Rezultati dobiveni za Sn izotopni lanac proslijeđeni su istraživačima eksperimentalne fizike na Sveučilištu u Osaki, Japan, gdje su pobuđenja sa izmjenom naboja nedavno istraživana koristeći (3He,t) reactions.

U istraživanjima svojstava egzotičnih pobuđenja, električni dipolni odziv za 140Ce istražen je koristeći samosuglasnu relativističku kvazičestičnu aproksimaciju slučajnih faza. Pokazano je da se niskoležeća prijelazna snaga dijeli u dva segmenta različitih izospinskih svojstava. Izraženija struktura sastoji se od dominantno izoskalarnih stanja sa gustoćama prijelaza izraženih maksimuma na površini jezgre. Na nešto višim energijama dobivena dipolna prijelazna snaga je dominantno izovektorskog karaktera, kao što je očekivano od gigantske dipolne rezonancije. Dobiveni rezultati su u kvalitativnom suglasju s novim eksperimentalnim rezultatima zasnovanim na korištenju snopova fotona i alfa jezgara, i

objašnjavaju rascijep niskoležeće dipolne snage u dvije grupe stanja sa različitom izospinskom strukturom i radijalnom ovisnošću gustoća prijelaza.

2) Uhvat miona i uhvat elektrona u evoluciji zvijezda

Na temelju multipolne analize Hamiltoniana slabe interakcije, uhvat miona je istraživan s ciljem uspostave općenitog modela za opis reakcija sa jezgrama koje uključuju i slabu interakciju. Relativistička proton-neutron aproksimacija slučajnih faza primijenjena je u modeliranju relevantnih prijelaza, i karakteristična vremena za uhvat miona izračunata su za veliki raspon atomskih jezgara od ugljika do urana, gdje postoje eksperimentalni podaci. Teorija uključuje sve relevantne zabranjene prijelaze. Istraženi su učinci nuklearnog medija u atomskoj jezgri na aksijalno-vektorsku konstantu vezanja.

Razvijen je teorijski formalizam za jezgre na konačnim temperaturama, zasnovan na relativističkom energijskom funkcionalu gustoće. Uspostavljena je aproksimacija slučajnih faza na konačnoj temperaturi, i primijenjena u istraživanjima evolucije izoskalarne monopolne i izovektorske dipolne rezonancije, patuljaste dipolne rezonancije, izobarne analogne i Gamow-Teller rezonancije u rasponu temperatura od 0-4 MeV. Pokazano je da temperatura ima značajan učinak na niskoležeći dio spektra pobuđenih stanja, što može rezultirati pojavom novih stanja.

Za opis udarnih presjeka uhvata elektrona na jezgrama unutar zvijezda, razvijen je teorijski formalizam koji uključuje učinke konačne temperature. Jednočestični spektri stanja i njihovi faktori zauzimanja određeni su pomoću Hartree-Fock modela na konačnoj temperaturi, dok su relevantni prijelazi opisani koristeći aproksimaciju slučajnih faza na konačnoj temperaturi. Ovaj teorijski okvir predstavlja prvi model za opis uhvata elektrona zasnovan na samosuglasnoj primjeni energijskih funkcionala gustoće, što omogućuje univerzalni teorijski pristup koji se može primijeniti za sve jezgre koje su značajne u modeliranju evolucije zvijezda i dinamike supernove.

3) Neutrino-jezgra udarni presjeci

U konzistentnom teorijskom modelu za neutrino-jezgra udarne presjeke od značaja

za detektore neutrina, istaženi su udarni presjeci za jezgru metu 12C. Formalizam slabog međudjelovanja je dodatno proširen i dobiveni su novi izrazi koji značajno olakšavaju numeričke izračune (anti)neutrino-jezgra udarnih presjeka i uhvata miona. Određeni su faktori koji određuju magnitudu udarnih presjeka, njihova svojstva u ovisnosti o energiji ulaznog (anti)neutrina, i uvjeti konvergencije ovisno o konfiguracijskom prostoru. Istraživanja uključuju dekompoziciju inkluzivnih udarnih presjeka s obzirom na zabranjene prijelaze različitih multipola, i pokazuju da prijelazi viših multipolariteta značajno doprinose na višim energijama (anti)neutrina.

Neutrino-jezgra udarni presjeci istraženi su i u okviru simulacija ubrzivača radioaktivnih iona za proizvodnju snopova neutrina (“beta beam facility”), koristeći tokove neutrina dobivene za dvije konfiguracije prstena za raspade. U takvom okruženju, provedena su istraživanja uloge zabranjenih prijelaza na udarne presjeke. Pokazano je da bi ovakav ubrzivač omogućio uvid u structuru spinsko-izospinskih pobuđenja jezgre mete.

Svrha ovog projekta bila je potpora glavnom istaživaču za uspostavu istraživačke grupe koja uključuje dva doktoranda i jednog poslijedoktorskog istraživača. Osim toga, 5 dodiplomskih studenata izradilo je diplomske radove iz područja vezanih uz projekt. Dva člana grupe su inozemni znanstvenici koji su došli iz Kine i Njemačke. Glavni rezultati projekta stavljeni su na raspolaganje međunarodnoj znanstvenoj zajednici, što uključuje 20 znanstvenih publikacija u recenziranim znanstvenim časopisima i zbornicima konferencija, 3 pozvana predavanja, 6 usmenih priopćenja i jedan poster na međunarodnim konferencijama, kao i 2 pozvana predavanja na institucijama u inozemstvu. U okviru projekta instalirana je računalna oprema koja je intenzivno korištena u postizanju ciljeva istraživanja, i izrađeno je 7 računalnih programa za potrebe modeliranja atomskih jezgara i procesa slabe interakcije.

Projekt je rezultirao upostavom temelja međunarodne suradnje i zajedničkim objavljenim radovima sa znanstvenicima sa Institut de Physique Nucleaire d’Orsay (France), Aristotle University Thessaloniki (Greece),  Universita degli Studi di Milano (Italy), a potaknuo je i rad u okviru nove suradnje sa istraživačima sa Texas University (USA), University Santa Cruz (Brasil), Peking University (Kina), kao i sa hrvatskom dijasporom na Universidad Nacional de La Plata (Argentina).

Istraživanja i rezultati projekta su od značaja za međunarodnu znanstvenu zajednicu iz područja nuklearne fizike, astrofizike i fizike neutrina.

Key performance indicator

1^st
half-year

2^nd
half-year

3^rd
half-year

4^th
half-year

Number of publications in refereed journals

2

5

9

10

Number of publications in conference proceedings

1

4

8

10

Availability of installed computational resources (%)

0%

100%

100%

100%

Number of  diploma/Master/PhD students employed on project

6

7

8

8

Number of conferences and workshops attended by all group members

1

7

8

9

Number of invited talks and oral contributions given at conferences and workshops

1

5

7

9

Number of calculations (computer jobs) performed

450

825

1350

1550

Number of applications to other sources of financing

2

3

4

5

Ime člana istraživačke grupe

titula i opis posla

Nils Paar

Prof. dr. sc., voditelj projekta

Tomislav Marketin

Doctoral student, istraživač

Tamara Nikšić

Doc. dr. sc., istraživač

Yifei Niu

Doctoral student, istraživač

Haris Đapo

Dr. rer. nat., poslijedoktorski istraživač

Maja Zorić

Diploma student, izrada diplomskog rada,

“Spin-isospin excitations in atomic nuclei",

graduated 28.1.(2009)

Hrvoje Tutman

Diploma student, izrada diplomskog rada, "Neutrino and antineutrino - nucleus cross sections based on relativistic quasiparticle random phase approximation",

graduated 21.5.(2009)

Vanja Novosel

Diploma student, izrada diplomskog rada,

"Studies of geoneutrinos",

graduated 17.7.(2009)

Maida Kendić

Diploma student, izrada diplomskog rada,

"Structure of neutron stars",

 graduated 14.10.(2009)

Timor Grego

Diploma student, izrada diplomskog rada, "Neutrino-nucleus reactions at beta-beam facility", graduated 9.3.(2010)

Nikša Strika

Diploma student, izrada diplomskog rada, "Nuclear reactions in stars", u izradi (2010)

Suradne institucije i međunarodna suradnja ostvarena u okviru projekta

U okviru projekta su potpisana tri ugovora o suradnji sa institucijama inozemnih suradnika na projektu

Prof. dr. sc. Georgios Lalazissis, Aristotle University of Thessaloniki, Grčka

Prof. dr. sc. Gianluca Colo, Universita degli studi di Milano, Italija

Dr. sc. Elias Khan, Institut de Physique Nucleaired d’Orsay, Francuska

U radu u okviru projekta uspostavljene su i nove međunarodne suradnje sa nizom znanstvenika na inozemnim institucijama:

Prof. dr. Carlos Bertulani, Texas University, SAD

Assist. Prof. dr. Arturo Samana, University Santa Cruz, Brazil

Prof. dr. Jie Meng, Peking University, Kina

Prof. dr. Franjo Krmpotić, Universidad Nacional de La Plata, Argentina

S obzirom da je  Prof. Franjo Krmpotić porijeklom iz Hrvatske, ovaj projekt je potaknuo novu suradnju sa hrvatskom dijasporom u Argentini.

Rad u okviru projekta rezultirao je sa nekoliko zajedničkih publikacija u okviru navedenih međunarodnih suradnji.

• Publikacije – poslano za objavljivanje

· A.R. Samana, F. Krmpotic, N. Paar, and C. A. Bertulani, "Neutrino and antineutrino charge-exchange reactions on 12C", Phys. Rev. C (2010), in press (IF 3.477)

· Y. F. Niu, N. Paar, D. Vretenar, and J. Meng, "Finite temperature effects on monopole and dipole excitations", Journal of Physics: Conference Series (2010), in press

· N. Paar, “Exotic modes of excitation and weak interaction rates at finite temperature”, American Institute of Physics Conference Proceedings (2010), in press

· A. R. Samana, F. Krmpotic, N. Paar, and C. A. Bertulani, “Neutrino and antineutrino cross sections in 12C”, Journal of Physics: Conference Series (2010), in press

• Publikacije - objavljeno

· N. Paar, Comment on "Pygmy dipole response of proton-rich argon nuclei in random-phase approximation and no-core shell model", Phys. Rev. C 78, 039801 (2008); (IF 3.477)

· T. Marketin,N. Paar, T. Niksic, and D. Vretenar, "Relativistic QRPA calculation of muon capture rates", Phys. Rev. C 79, 054323 (2009); (IF 3.477)

· A. Klimkiewicz, N. Paar , P. Adrich, M. Fallot, K. Boretzky, T. Aumann, D. Cortina-Gil, U. D. Pramanik, T. W. Elze, H. Emling, H. Geissel, M. Hellstrom, K. L. Jones, J. V. Kratz, R. Kulessa, C. Nociforo, R. Palit, H. Simon, G. Surowka, K. Summerer, D. Vretenar, W. Walus, "Collective dipole excitations in neutron-rich nuclei from Sn-132 mass region, the nuclear symmetry energy and neutron skins", Acta. Phys. Pol. B 40, 589 (2009); (IF 0.648)

· N. Paar, Y. F. Niu, D. Vretenar, and J. Meng, "On the isoscalar-isovector splitting of pygmy dipole structures", Phys. Rev. Lett. 103, 032502 (2009); (IF 7.328)

· Y. F. Niu, N. Paar, D. Vretenar, and J. Meng, "Low-energy multipole response in nuclei at finite temperature", Phys. Lett. B 681, 315 (2009); (IF 5.083)

· N. Paar, G. Colo, E. Khan, and D. Vretenar, "Calculation of stellar electron-capture cross sections on nuclei based on microscopic Skyrme functionals", Phys. Rev. C 80, 055801 (2009); (IF 3.477)

· P. Ring, T. Marketin, N. Paar, and D. Vretenar, "Covariant density functional theory: inclusive charged current neutrino-nucleus reactions", Acta Phys. Pol. B 40, 2537 (2009); (IF 0.648)

· N. Paar, "The quest for novel modes of excitation in exotic nuclei", J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 37, 064014 (2010); (IF 2.124)

· N. Paar, T. Marketin, D. Vretenar, G. Colo, E. Khan, Y. F. Niu, J. Meng, “Nuclear excitations and weak interaction rates at finite temperature”, Mod. Phys. Lett. A 25, 1767 (2010); (IF 1.075)

U Zbornicima konferencijskih priopćenja:

· N. Paar, T. Marketin, D. Vretenar, and P. Ring, "Consistent approach to weak interaction rates based on the relativistic QRPA", Proceedings of Science(NICX), 030 (2008).

· D. Vretenar, N. Paar, and T. Marketin, "Relativistic energy density functionals: exotic modes of excitation", AIP Conference Proceedings 1072, 70 (2008).

· Y. F. Niu, N. Paar, D. Vretenar, and J. Meng, "Relativistic random phase approximation at finite temperature", AIP Conference Proceedings 1165, 189 (2009).

· A. Klimkiewicz, N. Paar, P. Adrich, M. Fallot, T. le Bleis, D. Rossi, K. Boretzky, T. Aumann, H. Alvarez-Pol, F. Aksouh, J. Benlliure, T. Berg, M. Boehmer, E. Casarejos, M. Chartier, A. Chatillon, D. Cortina-Gil, U. Datta Pramanik, Th.W. Elze, , H. Emling, O. Ershova, B. Fernando-Dominguez, H. Geissel, M. Gorska, M. Heil, M. Hellstrom, H. Johansson, K.L. Jones, A. Junghans, O. Kiselev, J.V. Kratz, R. Kulessa, N. Kurz, M. Labiche, R. Lemmon, Y. Litvinov, K. Mahata, P. Maierbeck, T. Nilsson, C. Nociforo, R. Palit, S. Paschalis, R. Plag, , R. Reifarth, H. Simon, K. Sumerer, G. Surowka, D. Vretenar, A. Wagner, W. Walus, H. Weick and M. Winkler, "Pygmy dipole strength in exotic nuclei and the equation of state", AIP Conference Proceedings 1165, 181 (2009).

· T. Marketin, N. Paar, T. Niksic, D. Vretenar, and P. Ring, "Relativistic QRPA calculation of beta-decay rates of r-process nuclei", AIP Conference Proceedings 1165, 433 (2009).

· G. A. Lalazissis, T. Niksic, S. Kartzikos, N. Paar, D. Vretenar, and P. Ring, "Phenomenological Relativistic Energy Density Functionals", AIP Conference Proceedings 1165, 259 (2009).

· P. Ring, J. Daoutidis, E. Litvinova, T. Niksic, N. Paar, and D. Vretenar, "Relativistic point coupling model for vibrational excitations in the continuum", AIP Conference Proceedings 1165, 145 (2009).

Održana predavanja

· Nils Paar,  invited talk, 6th Balkan School on Nuclear Physics, Troyan, Bulgaria, 19.9.-24.9.2008

title of the talk: "Modern theory of exotic nuclear structure: excitations,

weak interaction rates and beyond"

· Nils Paar, invited seminar talk, Aristotle University of Thessaloniki, Greece, 3.12.2008

title of the talk: "Astrophysically relevant weak interactions in nuclei:

neutrino induced reactions, electron capture, and beta decays"

· Tomislav Marketin, contribution talk, European Nuclear Physics conference,

Bochum, Germany

16-20.3.2009

title of talk: "Beta decay and muon capture rates in a selfconsistent relativistic

framework"

· Yifei Niu, contribution talk, European Nuclear Physics conference,

Bochum, Germany

16-20.3.2009

title of talk: "Relativistic random phase approximation with density-dependent

meson-nucleon couplings at finite temperature"

· Nils Paar, contribution talk, European Nuclear Physics conference,

Bochum, Germany

16-20.3.2009

title of talk: "Self-consistent theory of charged current neutrino-nucleus reactions"

· Tomislav Marketin, poster presentation, International conference, Nuclear structure and dynamics, Dubrovnik, Croatia,

4-8.5.2009

title of the presentation: "Relativistic QRPA calculation of beta-decay rates of r-process nuclei"

· Yifei Niu, short oral contribution, International conference, Nuclear structure and dynamics, Dubrovnik, Croatia,

4-8.5.2009

title: "Relativistic Random Phase Approximation at finite temperature"

· Nils Paar, invited seminar talk, "Exotic modes of excitation and neutrino induced reactions in atomic nuclei", Kavli Institute for Theoretical Physics China at the Chinese Academy of Sciences (KITPC-CAS), Peking, China, 18.6.2009

· Nils Paar, invited talk, International workshop on strong, weak, and electromagnetic interactions to probe spin-isospin excitations, European center for theoretical studies, ECT*, Trento, Italy

28.9-3.10.2009

title of the talk: "Collective

QRPA models for charge exchange reactions and links to astrophysics"

· Nils Paar, invited talk, European Science Foundation PESC Exploratory Workshop: How to constrain the High Density Symmetry Energy, Zagreb, Croatia

15.10.-17.10.2009

title of the talk: " Density dependence of the symmetry energy close to normal density from neutron skin thickness and dipole excitations"

· Nils Paar, contribution talk, International Symposium: Forefronts of Researches in Exotic Nuclear Structures – Niigata 2010, Tokamachi, Japan

1.3.-6.3.2010

title of the talk: “Nuclear excitations and weak interaction rates at finite temperature”

· Nils Paar, contribution talk, International conference "Frontiers In Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions" (FINUSTAR 3), Rhodos, Greece

23-27.8.2010.

title of the talk: "Exotic modes of excitation and weak interaction rates at finite temperature"

Type of equipment

Value of equipment (HRK)

Value of equipment (EUR)

UKF Funds and/or matching funds-Please select one option

Computer  cluster equipment:

HP blade BL460c  (2xE5430, 16GB RAM)

HP blade BL480c (2xE5430,  16GB RAM)

HP blade BLc SB40c storage blade (6x146GB)

67500

9429.11

UKF Funds

Computer cluster equipment – rack, computer nodes

263073.97

36748.96

Matching funds

HP 8GB Reg PC2-6400 2x4GB Kit

20559.64

2824.85

UKF Funds