Nuclear Physics in Neutron Stars : Study of Superfluidity in Hypernuclei and Constraining the Nuclear Equation of State

par Haşim Zahid Güven

Thèse de doctorat en Structure et réactions nucléaires

Sous la direction de Elias Khan et de Kutsal Bozkurt.

Le président du jury était Patrice Hello.

Le jury était composé de Francesca Gulminelli, Micaela Oertel, Jérôme Margueron.

Les rapporteurs étaient Francesca Gulminelli, Micaela Oertel.


  • Résumé

    Dans cette thèse nous avons d’abord étudié l’effet du paring Lambda sur les propriétés des hypernoyaux dans le formalisme Hartree-Fock Bogoliubov. La fonctionnelle de Skyrme SLy5 est utilisée dans le canal nucleon-nucleon alors que 3 fonctionelles fittées sur les calculs microscopiques Brueckner Hartree-Fock sont utilisées dans le canal Nλ : DF-NSC89, DF-NSC97a et DF-NSC97f. Ces fonctionnelles décrivent la séquence des énergies de liaison expérimentales à un lambda, des hypernoyaux légers aux hypernoyaux lourds. Dans le cas du canal Lambda-Lambda, nous avons utilisé la prescription empirique EmpC, ajustée à 1 MeV sur l’énergie expérimentale de liaison dans le 6HeLL. A l’aide de cette approche de la fonctionnelle de la densité, plusieurs noyaux ont été étudiés, avec des couches nucléoniques fermées et des couches ouvertes en Lambda. Une interaction d’appariement Lambda-Lambda est introduite, dont la magnitude est ajustée pour être consistante avec la valeur maximale des prédictions BCS pour le gap d’appariement Lambda dans la matière hyperonique. Nous donnons ainsi une valeur maximale pour la prédiction du gap d’appariement Lambda et ses effets dans les hypernoyaux. Nous avons montré que les effets de l’appariement LL dépendent de l’hypernoyau considéré. L’énergie correspondante de condensation est de l’ordre de 3 MeV au maximum, ce qui entraine de faibles corrections sur les distributions de densité et la structure en couches. De manière générale, nous avons trouvé que l’appariement Lambda-Lambda peut être important si l’écart en énergie entre les couches est plus petit que 3 MeV. A cette condition, l’appariement Lambda peut impacter les densité et les énergies de liaison. En résumé, il est montré que l’effet de l’appariement relié aux Lambda peut être en général négligé dans la plupart des hypernoyaux, sauf pour les ceux ayant un écart typique dans le spectre à une particule plus petit que 3 MeV autour du niveau de Fermi. De plus, les conditions sur à la fois les énergies de Fermi et les moments angulaire orbitaux atténuent l’appariement nucleon-Lambda pour la plupart des hypernoyaux.La deuxième partie de la thèse est dévolue aux équations d’état dans les étoiles à neutrons. Nous avons confronté les valeurs des déformabilité de marée extraites de l’évènement d’onde gravitationnelle GW170817, aux contraintes issues de la physique nucléaire à l’aide d’une approche semi-agnostique pour l’équation d’état de la matière dense. Nous avons utilisé les statistiques Bayesienne pour combiner les données de physique nucléaire à basse densité, comme les prédictions ab initio provenant des interactions chirales EFT ou la résonance géante monopolaire isoscalaire, et les contraintes astrophysiques des étoiles à neutrons, comme leur masse maximale, ou la fonction densité de probabilité de la déformabilité de marée obtenue de l’événement GW170817. Les fonctions postérieures de densité de probabilité sont marginalisées sur plusieurs paramètres nucléaires empiriques (Lsym, Ksym, Qsat et Qsym), et aussi sur des grandeurs observationnelles des étoiles à neutrons comme la masse et le rayon à 1.4 masses solaires, ou la pression à deux fois la densité de saturation P(2nsat). Les correlations entre Lsym et Ksym, et entre KSat et Qsat sont aussi analysées. Une tension importante entre les données observationnelles d’ondes gravitationnelles et les inputs de physique nucléaire est trouvée pour les distributions marginales de probabilité de Lsym et R1.4. Ceci pourrait être une indication d’une transition de phase de nucléons vers des particules plus exotiques dans le coeur des étoiles à neutrons. Nous trouvons aussi qu’augmenter la précision sur la détermination de la déformabilité de marée à partir des ondes gravitationnelles, ou sur Mc à partir de la résonance géantes monopolaire, devrait aboutir à une meilleure détermination de Ksat et Qsat.

  • Titre traduit

    Physique nucléaire dans les étoiles à neutrons : étude de la superfluidité dans les hypernoyaux et contraintes sur les équations d'état


  • Résumé

    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 6He_LL. 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 1.4Msun radius R1.4 and the pressure at twice the saturation density P(2n_sat). 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.


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