Nuclear symmetry energy effects on the bulk properties of neutron rich finite nuclei and on neutron stars structure

Abstract

The subject of the present dissertation is the study of the effects of the nuclear symmetry energy on various properties of neutron rich finite nuclei and neutron stars. We also provide constraints for finite nuclei and neutron star quantities using the extracted data as well as observational data from neutron stars and experimental data from finite nuclei. For the case of neutron stars, we have also explored the effects of the symmetry energy in the case of neutron dark decay, which is a possible way of production of dark matter particles inside neutron star matter. As a key element in our study, we attempt to find a connection between finite nuclei and neutron star properties. To this end, we have employed the same energy density expression for the description of both systems. In addition, for the case of neutron dark decay, we have examined all the possible scenarios of interactions between dark matter particles and baryons, for various cases of interaction strengths. Our results indicate that the various physical quantities examined for finite nuclei and neutron stars, are indeed sensitive to the variations of the symmetry energy, but in a variable manner. Specifically for the case of neutron dark decay inside neutron stars, especially interesting are our results that indicate that different cases of interactions between dark matter particles and baryons, can lead to star configurations with greatly different macroscopic quantities, such as the mass and radius.

Το θέμα της παρούσης διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης της πυρηνικής ενέργειας συμμετρίας σε διάφορες ιδιότητες πεπερασμένων πυρήνων πλούσιων σε νετρόνια και αστέρων νετρονίων. Επίσης εξάγουμε περιορισμούς για μεγέθη των ανωτέρω συστημάτων, χρησιμοποιώντας τα εξαγόμενα δεδομένα μαζί με παρατηρησιακά δεδομένα για αστέρες νετρονίων και πειραματικά δεδομένα για πεπερασμένους πυρήνες. Για την περίπτωση των αστέρων νετρονίων, έχουμε επίσης εξερευνήσει την επίδραση της ενέργειας συμμετρίας στην περίπτωση της σκοτεινής διάσπασης του νετρονίου, ο οποίος είναι ένας πιθανός τρόπος παραγωγής σωματιδίων σκοτεινής ύλης μέσα στην ύλη αστέρων νετρονίων. Σαν στοιχείο κλειδί για την μελέτη μας, επιχειρούμε να βρούμε μια σύνδεση ανάμεσα σε ιδιότητες πεπερασμένων πυρήνων και αστέρων νετρονίων. Για τον σκοπό αυτό, έχουμε εφαρμόσει την ίδια έκφραση ενεργειακής πυκνότητας για την περιγραφή και των δυο συστημάτων. Επιπρόσθετα, για την περίπτωση της σκοτεινής διάσπασης νετρονίου, έχουμε εξετάσει όλα τα πιθανά σενάρια αλληλεπιδράσεων μεταξύ σωματιδίων σκοτεινής ύλης και βαρυονίων, και για διάφορα μεγέθη των αλληλεπιδράσεων. Τα αποτελέσματα μας καταδεικνύουν ότι οι διάφορες φυσικές ποσότητες που μελετώνται για τους πεπερασμένους πυρήνες και για τους αστέρες νετρονίων, είναι όντως ευαίσθητες στις μεταβολές της ενέργειας συμμετρίας, αλλά σε μεταβλητό βαθμό. Ειδικά για την περίπτωση της σκοτεινής διάσπασης νετρονίου εντός των αστέρων νετρονίων, ξεχωριστό ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα αποτελέσματα μας που δείχνουν ότι διαφορετικές περιπτώσεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των σκοτεινών σωματιδίων και των βαρυονίων, οδηγούν σε συστήματα αστέρων με εντελώς διαφορετικές μακροσκοπικές ιδιότητες, όπως η μάζα και η ακτίνα.