We study the use of truncated normal-ordered three-nucleon interactions in nuclear structure calculations starting from chiral two- plus three-nucleon Hamiltonians evolved consistently with the similarity renormalization group. We present three key developments: (i) a rigorous benchmark of the normal-ordering approximation in the importance-truncated no-core shell model for $^{4}\mathrm{He}$, $^{16}\mathrm{O}$, and $^{40}\mathrm{Ca}$; (ii) a direct comparison of the importance-truncated no-core shell model results with coupled-cluster calculations at the singles and doubles level for $^{16}\mathrm{O}$; and (iii) first applications of similarity renormalization group-evolved chiral $NN+3N$ Hamiltonians in coupled-cluster calculations for medium-mass nuclei $^{16,24}\mathrm{O}$ and $^{40,48}\mathrm{Ca}$. We show that the normal-ordered two-body approximation works very well beyond the lightest isotopes and opens a path for studies of medium-mass and heavy nuclei with chiral two- plus three-nucleon interactions. At the same time we highlight the predictive power of chiral Hamiltonians.

We present first ab initio no-core shell model (NCSM) calculations using similarity renormalization group (SRG) transformed chiral two-nucleon (NN) plus three-nucleon (3N) interactions for nuclei throughout the p-shell, particularly (12)C and (16)O. By introducing an adaptive importance truncation for the NCSM model space and an efficient JT-coupling scheme for the 3N matrix elements, we are able to surpass previous NCSM studies including 3N interactions. We present ground and excited states in (12)C and (16)O for model spaces up to N(max) = 12 including full 3N interactions. We analyze the contributions of induced and initial 3N interactions and probe induced 4N terms through the sensitivity of the energies on the SRG flow parameter. Unlike for light p-shell nuclei, SRG-induced 4N contributions originating from the long-range two-pion terms of the chiral 3N interaction are sizable in (12)C and (16)O.

We present a nucleus-dependent valence-space approach for calculating ground and excited states of nuclei, which generalizes the shell-model in-medium similarity renormalization group to an ensemble reference with fractionally filled orbitals. Because the ensemble is used only as a reference, and not to represent physical states, no symmetry restoration is required. This allows us to capture 3N forces among valence nucleons with a valence-space Hamiltonian specifically targeted to each nucleus of interest. Predicted ground-state energies from carbon through nickel agree with results of other large-space ab initio methods, generally to the 1\% level. In addition, we show that this new approach is required in order to obtain convergence for nuclei in the upper $p$ and $sd$ shells. Finally, we address the $1^+$/$3^+$ ground-state inversion problem in $^{22}\text{Na}$ and $^{46}\text{V}$. This approach extends the reach of ab initio nuclear structure calculations to essentially all light- and medium-mass nuclei.

We present the first ab initio construction of valence-space Hamiltonians for medium-mass nuclei based on chiral two- and three-nucleon interactions using the in-medium similarity renormalization group. When applied to the oxygen isotopes, we find experimental ground-state energies are well reproduced, including the flat trend beyond the drip line at (24)O. Similarly, natural-parity spectra in (21,22,23,24)O are in agreement with experiment, and we present predictions for excited states in (25,26)O. The results exhibit a weak dependence on the harmonic-oscillator basis parameter and reproduce spectroscopy within the standard sd valence space.

We link the structure of nuclei around Sn100, the heaviest doubly magic nucleus with equal neutron and proton numbers (N=Z=50), to nucleon-nucleon (NN) and three-nucleon (NNN) forces constrained by data of few-nucleon systems. Our results indicate that Sn100 is doubly magic, and we predict its quadrupole collectivity. We present precise computations of Sn101 based on three-particle–two-hole excitations of Sn100, and we find that one interaction accurately reproduces the small splitting between the lowest Jπ=7/2+ and 5/2+ states.Received 21 September 2017Revised 12 January 2018DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.152503© 2018 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasBinding energy & massesCollective levelsElectromagnetic transitionsEnergy levels & level densitiesNuclear forcesNuclear many-body theoryNuclear structure & decaysRare & new isotopesNuclear Physics

Abstract Giant resonances (GRs) are a striking manifestation of collective motions in atomic nuclei. The present paper is the second in a series of four dedicated to the use of the projected generator coordinate method (PGCM) for the ab initio determination of the isoscalar giant monopole resonance (GMR) in closed- and open-shell mid-mass nuclei. While the first paper was dedicated to quantifying various uncertainty sources, the present paper focuses on the first applications to three doubly-open shell nuclei, namely $$^{46}\hbox {Ti}$$  46  Ti , $$^{28}\hbox {Si}$$  28  Si and $$^{24}\hbox {Mg}$$  24  Mg . In particular, the goal is to investigate, starting from chiral effective field theory nuclear interactions, (i) the coupling of the GMR with the giant quadrupole resonance (GQR) in intrinsically-deformed nuclei, (ii) the possible impact of shape coexistence and shape mixing on the GMR, (iii) the GMR based on shape isomers and (iv) the impact of anharmonic effects on the monopole response. The latter is studied by comparing PGCM results to those obtained via the quasi-particle random phase approximation (QRPA), the traditional many-body approach to giant resonances, performed in a consistent setting. Eventually, PGCM results for sd-shell nuclei are in good agreement with experimental data, which is attributed to the capacity of the PGCM to capture the important fragmentation of the monopole response in light, intrinsically-deformed systems. Still, the comparison to data in $$^{28}\hbox {Si}$$  28  Si and $$^{24}\hbox {Mg}$$  24  Mg illustrates the challenge (and the potential benefit) of extracting unambiguous experimental information.

$A\phantom{\rule{0}{0ex}}b$-$i\phantom{\rule{0}{0ex}}n\phantom{\rule{0}{0ex}}i\phantom{\rule{0}{0ex}}t\phantom{\rule{0}{0ex}}i\phantom{\rule{0}{0ex}}o$ calculations of atomic nuclei have revolutionized nuclear structure physics. Yet challenges remain, not least the reliable calculation of nuclear radii. In a concurrent development, modern machine-learning algorithms have excelled in a variety of computational tasks such as pattern recognition and interpolation. The authors have applied artificial neural networks (ANNs) to the extrapolation of no-core shell model calculations to infinite model spaces, effectively circumventing their computational limitations. In particular, the results show that min-max normalization, a common technique in machine learning, leads to the best results for radii. These advances offer hope that the ANN architecture is capable of handling other observables such as electromagnetic moments and transition strengths.

One of the overarching goals in nuclear science is to understand how the nuclear chart emerges from the underlying fundamental interactions. The description of the structure of nuclei from first principles, using ab initio methods for the solution of the many-nucleon problem with inputs from chiral effective field theory, has advanced dramatically over the past two decades. We present an overview over the available ab initio tools with a specific emphasis on electromagnetic observables, such as multipole moments and transition strengths. These observables still pose a challenge for ab initio theory and are one of the most exciting domains to exploit synergies with modern experiments. Precise experimental data are vital for the validation of the theory predictions and the refinement of ab initio methods. We discuss some of the past and future experimental efforts highlighting these synergies. This article is part of the theme issue ‘The liminal position of Nuclear Physics: from hadrons to neutron stars’.

Abstract Giant Resonances are, with nuclear rotations, the most evident expression of collectivity in finite nuclei. These two categories of excitations, however, are traditionally described within different formal schemes, such that vibrational and rotational degrees of freedom are separately treated and coupling effects between those are often neglected. The present work puts forward an approach aiming at a consistent treatment of vibrations and rotations. Specifically, this paper is the last in a series of four dedicated to the investigation of the giant monopole resonance in doubly open-shell nuclei via the ab initio Projected Generator Coordinate Method (PGCM). The present focus is on the treatment and impact of angular momentum restoration within such calculations. The PGCM being based on the use of deformed mean-field states, the angular-momentum restoration is performed when solving the secular equation to extract vibrational excitations. In this context, it is shown that performing the angular momentum restoration only after solving the secular equation contaminates the monopole response with an unphysical coupling to the rotational motion, as was also shown recently for (quasi-particle) random phase approximation calculations based on a deformed reference state. Eventually, the present work based on the PGCM confirms that an a priori angular momentum restoration is necessary to handle consistently both collective motions at the same time. This further pleads in favor of implementing the full-fledged projected (quasi-particle) random phase approximation in the future.

The Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) is in its final construction stage next to the campus of the Gesellschaft für Schwerionenforschung Helmholtzzentrum for heavy-ion research in Darmstadt, Germany. Once it starts its operation, it will be the main nuclear physics research facility in many basic sciences and their applications in Europe for the coming decades. Owing to the ability of the new fragment separator, Super-FRagment Separator, to produce high-intensity radioactive ion beams in the energy range up to about 2 GeV/nucleon, these can be used in various nuclear reactions. This opens a unique opportunity for various nuclear structure studies across a range of fields and scales: from low-energy physics via the investigation of multi-neutron systems and halos to high-density nuclear matter and the equation of state, following heavy-ion collisions, fission and study of short-range correlations in nuclei and hypernuclei. The newly developed reactions with relativistic radioactive beams (R