Test du Modèle Standard à basse énergie  : mesure précise des rapports d’embranchement de 62 Ga : mesure précise de la durée de vie de 38 Ca

Anissa Bey

Description

Sous la direction de Bertram Blank
Thèse soutenue le 14 novembre 2008: Bordeaux 1
L’étude précise des transitions ß de Fermi super-permises 0+ ? 0+ offre un outil précieux pour explorer les propriétés de l’interaction faible dans le cadre du Modèle Standard (SM). Collectivement, les forces (ft) mesurées pour ces transitions permettent de vérifier l’hypothèse CVC et contribuent au test le plus rigoureux de l’unitarité de la première ligne de la matrice de mélange des quarks CKM en fournissant l’évaluation la plus précise de l’élément dominant (Vud). Jusqu’à récemment, un apparent défaut d’unitarité a semé le doute sur la validité du SM minimal et a mobilisé un effort considérable afin d’élargir le champ d’étude à d’autres émetteurs de Fermi. Le 62Ga et 38Ca sont parmi des noyaux clés pour mener ces tests de précision au travers de la vérification de la fiabilité des corrections imposées aux valeurs ft expérimentales. La décroissance ß de 62Ga a été étudiée auprès du séparateur IGISOL à Jyväskylä, avec un dispositif composé de 3 Clovers EUROBALL pour la détection du rayonnement ?. La mise en évidence de raies ? de très faible intensité (<1‰), au travers de corrélations ß-? et ß-?-?, a permis de reconstruire partiellement le schéma de niveaux excités dans le 62Zn. Le rapport d’embranchement analogue déduit (B.R.A = 99.893(24) %) est utilisé pour extraire la valeur Ft(62Ga) universelle. Celle-ci s’avère en bon accord avec les 12 valeurs précises connues de la littérature. La compatibilité constatée entre la limite supérieure dressée ici sur le terme (d1IM) et la prédiction théorique confirme l’importance des corrections de brisure de symétrie d'isospin dans les émetteurs ß (A = 62). L’étude de la décroissance de 38Ca a été réalisée auprès de l’installation ISOLDE du CERN. L’utilisation de la fluoration des fragments de réaction, pour isoler chimiquement les isotopes d’intérêt, alliée au piégeage d’ions assisté par REXTRAP et l’analyse TOF, ont permis de s’affranchir totalement du contaminant contraignant 38mK. Pour la première fois, la durée de vie de 38Ca est mesurée avec un échantillon de haute pureté. Le résultat préliminaire établi T1/2(38Ca) = 445.8(10) ms améliore la précision par rapport à l’ancienne valeur d’un facteur proche de 10.
-Structure nucléaire
-Transitions super-permises de Fermi
-Noyaux exotiques
-Rayonnement ?
-Hypothèse CVC
-Rapports d’embranchement
-Modèle Standard electrofaible
-Durée de vie
Precise measurements of Fermi superallowed 0+? 0+ ß decays provide a powerful tool to study the weak interaction properties in the framework of the Standard Model (SM). Collectively, the comparative half-lives (ƒt) of these transitions allow a sensitive probe of the CVC hypothesis and contribute to the most demanding test of the unitarity of the quarks-mixing CKM matrix top-row, by providing, so far, the most accurate determination of its dominant element (Vud). Until recently, an apparent departure from unity enhanced a doubt on the validity of the minimal SM and thus stimulated a considerable effort in order to extend the study to other Fermi emitters available. The 62Ga and 38Ca are among key nuclei to achieve these precision tests and verify the reliability of the corrections applied to the experimental ƒt-values. The 62Ga ß-decay was investigated at the IGISOL separator in Jyväskylä, with an experimental setup composed of 3 EUROBALL Clovers for ?-ray detection. Very weak intensity (<1‰) ?-rays were identified, via ß-? and ß-?-? correlations, and allowed a partial decay scheme reconstruction in 62Zn. The newly established analog branching-ratio (B.R.A = 99.893(24) %) was used to compute the universal Ft-value (62Ga). The latter turned out to be in good agreement with the 12 well-known cases. Compatibility between the upper limit set here on the term (d1IM) and the theoretical prediction suggests that the isospin-symmetry-breaking correction is indeed large for the heavy (A = 62) ß-emitters. The study of the 38a decay was performed at the CERN- ISOLDE facility. Injection of fluorine into the ion source, in order to chemically select the isotopes of interest, assisted by the REXTRAP Penning trap facility and a TOF analysis, enabled us to eliminate efficiently the troublesome 38mK. For the first time, the 38Ca half-life is measured with a highly purified radioactive sample. The preliminary result obtained, T1/2(38Ca) = 445.8(10) ms, improves the precision on the half-life as determined from previous measurements by a factor close to 10.
-Nuclear Structure
-CVC hypothesis
-Fermi superallowed transitions
-Branching ratios
-Exotic nuclei
-Electroweak Standard Model
-? Rays
-half-life
Source: http://www.theses.fr/2008BOR13667/document

Sujets

• Structure nucléaire
• Noyau exotique
• Radioactivité ?
• Durée de vie
• Half-Life

Informations

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Extrait

Nº d’ordre : 3667


THÈSE

PRÉSENTÉE À

L’UNIVERSITÉ DE BORDEAUX I

ÉCOLE DOCTORALE DE

SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGÉNIEUR

Par
Anissa BEY

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR

SPÉCIALITÉ : Astrophysique, Plasmas et Corpuscules
                                                               
 
 
 
Test du Modèle Standard à basse énergie :
62- Mesure précise des rapports d’embranchement de Ga
38- Mesure précise de la durée de vie de Ca
 
 
 
Soutenue le 14 novembre 2008

Après avis de MM :
O. Naviliat-Cunic Rapporteurs
C. Volpe

Devant la commission d’examen formée de : 
M. P. Quentin Professeur, Université de Bordeaux I Président du Jury
M. B. Blank Directeur de Recherche, CENBG Directeur de thèse
M. O. Naviliat-Cunic Université de Caen Rapporteur
MME. C. Volpe Chargé de Recherche, IPN Orsay Rapporteur
M. G. de France echerche, GANIL
 



Remerciements




Au travers de ces quelques lignes, je souhaite adresser mes sincères remerciements à toutes les
personnes ayant contribué directement ou de loin à l’aboutissement de ce travail scientifique.

Je remercie d’abord M. B. Haas directeur du Centre d’Études Nucléaires de Bordeaux-Gradignan
pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire pendant la durée de la thèse.

Je tiens à témoigner ma reconnaissance aux membres du Jury pour avoir accepté d’évaluer ce
travail. Je remercie M. P. Quentin d’avoir présider la soutenance. Je remercie Mme C. Volpe, M. O.
Naviliat-Cunic et M. G. de France pour leur lecture minutieuse du rapport de thèse, leurs corrections et
pour les discussions constructives et riches en enseignements que l’on a pu avoir.

Je voudrai ensuite exprimer ma profonde gratitude envers mon directeur de thèse. M. B. Blank m’a
offert l’importante opportunité de mener un travail de thèse et dirigé avec beaucoup de patience et
compréhension pendant quatre ans. J’ai apprécié sa modestie et je me suis employée à m’inspirer de sa
rigueur scientifique. Je lui suis reconnaissante pour sa confiance, pour l’attention qu’il a consacré aux
moindres détails (programmes, corrections, questions simplistes…), et surtout pour tout le savoir qu’il
m’a transmis dans le cadre du travail doctoral qui nous a réuni.

Je remercie M. J. Giovinazzo pour l’aide précieuse qu’il m’a apporté à plusieurs étapes de la thèse et
pour la grande disponibilité dont il a fait preuve. Je remercie Jérôme pour avoir partagé son bureau
38avec moi et pour m’avoir permis de travailler sur les données Ca. J’ai particulièrement apprécié son
sens critique juste des corrections et résultats, phase indispensable de tout travail scientifique. À ce
même titre, je remercie M. G. Canchel ainsi que les autres membres du groupe « Noyaux Exotiques »
et l’ensemble des services techniques du CENBG auxquels cette thèse doit beaucoup. Je remercie
également le professeur J. Donhue pour avoir accepté de corriger la partie théorique de ce manuscrit et
pour m’avoir éclairé sur de nombreux aspects liés au SM électrofaible.

J’ai passé la dernière année de ma thèse au LPC Caen où j’ai eu le privilège de collaborer avec le
corps enseignent-chercheurs dans le cadre d’un contrat ATER. Je remercie d’abord le personnel de ce
laboratoire où il m’était toujours agréable de travailler pour leur accueil et sympathie. Je tiens à
remercier (M. B. Tamain, M. O. Juillet, Mme F. Gulminelli, M. J.P. Signolle, Mme N. Marie-Nourry,
M. E. Liénard…) pour leur confiance, pour la grande disponibilité et écoute dont ils ont fait preuve.

En particulier, j’exprime ma sincère reconnaissance envers Mme. F. Gulminelli pour sa disponibilité,
l’accueil chaleureux qu’elle m’a toujours réservé, pour avoir répondu à toutes mes questions avec une
patience et clarté inégales et pour m’avoir soutenu dans ma mission. À ce même titre, je remercie
également mon directeur de recherche (LPC) M. N. Orr pour m’avoir accueilli au sein de son groupe
« neutron-rich Noyaux Exotiques », pour sa grande compréhension, gentillesse et ses conseils qui ont
été un élan porteur d’espoir. Je dois tant à M. J-C. Steckmeyer directeur du LPC Caen et A. Gontier
qui ont veillé à la finalisation de ce travail dans de bonnes conditions.

Mes dernières pensées, n’ont pas les moins importantes, vont à Lynda Achouri pour ces qualités
humaines exceptionnelles. Je tiens à remercier Lynda pour son aide et pour m’avoir soutenu pendant
les moments difficiles. Je la remercie pour avoir corrigé, dans des délais record, toutes sortes de
documents que je lui présentais, pour les discussions « physiques », pour les nombreuses invitations
sociales, pour l’écoute et le temps qu’elle a toujours su me consacrer.



Table des matières




Introduction 11

1  Théorie des interactions faibles................................................................. 13

1.1  Interaction universelle de Fermi ................................................................................ 13 
1.1.1  Modèle de Fermi............................................................................................... 13 
1.1.1.1 Couplage à quatre fermions 14 
1.1.1.2 Transitions β permises......................................................................... 15 
1.1.1.3 Règles de sélection de Fermi ............................................................... 16 
1.1.1.4 Durée de vie comparée ........................................................................ 16 
1.1.1.5 Limites du modèle ............................................................................... 17 
1.1.1.6 Couplages de l’interaction faible......................................................... 19
1.1.2  Théorie V −A...................................................................................................... 22 
1.1.2.1 Violation de la parité ........................................................................... 22 
1.1.2.2 Hélicité d’une particule ....................................................................... 23 
1.1.2.3 Concept de chiralité ............................................................................. 24 
1.1.2.4 Hamiltonien V −A ................................................................................. 26 
1.1.2.5 Désintégration du muon 28 
1.1.2.6 Hypothèse CVC................................................................................... 29 
1.1.2.7 Hypothèse PCAC 35 
1.1.2.8 Courants induits 37 
1.1.2.9 Limites de la théorie ............................................................................ 38
1.2  Modèle GSW (de Glashow, Salam et Weinberg)...................................................... 42 
1.2.1 Théorie de jauge et groupe de symétrie SU(3) ×SU(2) ×U(1) ..................... 43 C L Y
1.2.2 Classification des champs fermioniques .......................................................... 44 
1.2.3 Mélange de Cabibbo ........................................................................................ 46 
1.2.4 Matrice CKM ................................................................................................... 49
1.3  Test du Modèle Standard dans la désintégration β nucléaire .................................... 51 
1.3.1 Transitions super-permises de Fermi ............................................................... 51 
1.3.2 Corrections théoriques ..................................................................................... 52 
1.3.2.1 Corrections radiatives .......................................................................... 53 
1.3.2.2 Brisure de la symétrie d’isospin ..........................................