Des quarks et Hadrons aux théories fonctionnelles de la density pour les noyaux

par Antoine Boulet

Projet de thèse en Structure et réactions nucléaires

Sous la direction de Denis Lacroix.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Particules, hadrons, énergie et noyaux: Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation , en partenariat avec Institut de physique nucléaire d'orsay (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    La théorie de la fonctionnelle en densité (DFT nucléaire) est la seule approche qui permet de décrire à la fois les propriétés statiques, dynamiques et thermodynamiques des noyaux. La DFT nucléaire est a priori une approche exacte dans laquelle les paramètres empiriques sont ajustés directement sur les données expérimentales. Bien que appliquées avec succès aux noyaux stables, la possibilité d'explorer des régions encore inconnues de la charte des noyaux, a montré qu'une approche moins empirique permettant de relier directement les théories fonctionnelles aux degrés de libertés subnucléoniques était nécessaire. Le but du projet est d'améliorer les théories DFT selon les directions suivantes : (i) développement des bases théoriques pour l'utilisation des théories DFT en parallèle des brisures spontanées de symétries telles que l'invariance par translation ou rotation. (ii) Les théories fonctionnelles nucléaires ont la particularité d'être mises en œuvre à deux niveaux. Un niveau champ moyen et un niveau au delà du champ moyen où les effets des corrélations internes sont pris en compte. Le deuxième niveau reste toutefois encore très phénoménologique et la notion même d'interaction effective reste à clarifier dans ce cadre. (iii) La partie principale de ce projet est de tiré avantage des avancées récentes en théorie effective des champs (EFT) qui ont permis notamment de reliés les résultats de QCD sur réseau aux degrés de libertés mésoniques et baryoniques de basse énergie ainsi qu'aux nucléons. Jusqu'à présent, les progrès ont essentiellement profités aux méthodes dites ab-initio dont le domaine d'application se restreint à l'étude de la structure des noyaux relativement petits. Créer des liens entre l'EFT et la DFT est un des challenges de la physique nucléaire. Ceci permettra en particulier de rendre moins empirique la DFT nucléaire en reliant directement les constantes de la DFT aux propriétés des quarks et hadrons. Une fois ces liens établis, le pouvoir prédictif des DFT non-empiriques sera accru notamment dans les noyaux exotiques d'intérêts pour les accélérateurs de FAIR, d'ALTO ou de SPIRAL2.

  • Titre traduit

    Bridging Nuclear Density Functional Theory to quarks and hadrons


  • Résumé

    The nuclear density functional theory (nuclear DFT) for nuclei remains the only approach able to treat in a unique framework the static, dynamical and thermodynamical aspect of nuclei. The nuclear DFT is anticipated to be an exact approach where empirical components are directly adjusted on experimental observations. While quite successful for known stable nuclei, in recent years, with the possibility to explore unknown areas of the nuclear charts, it has become evident that a less-empirical approach bridging nuclear properties with their nucleonic and sub-nucleonic constituents is necessary. The present project aims at improving the nuclear DFT approach along several lines (i) develop a well-defined framework for nuclear DFT, in particular were the concept of breaking symmetry, like translational, rotational or pairing symmetries, is properly incorporated. (ii) The nuclear DFT has the particularity to be developed in two steps, first a mean-field approach is introduced and then a beyond mean-field theory that incorporates correlation effects beyond the independent particle picture is used. While the first step is rather well under control, important aspects related to the beyond-mean field (BMF) step are largely uncontrolled. The latter points out the lack of a proper definition of the effective interaction concept. (iii) Ultimately, the present project will take advantage of the most recent progress in Effective Field Theory (EFT) that allows connecting Lattice QCD results with low energy mesonics and baryonics degrees of freedom and then nucleons. At present, these progresses have been mainly used in ab-initio approaches that could only be employed to describe static properties of very few light nuclei. Bridging EFT and DFT is a great challenge for the next decade. In particular it is anticipated to lead to a clear connection between nuclear properties and the underlying quarks and mesons structure and to remove the empirical fitting nature of DFT. Once less-empirical nuclear DFT will be built, this will be of great help for providing predictions for the experiments that will be performed in the future radioactive beam facilities like the FAIR facilty in Germany or the ALTO and SPIRAL2 accelerator in France.