Etude de l'interaction faible dans la décroissance de l'32 AR

Etude de l'interaction faible avec la décroissance de l'32Ar

• Auteur / Autrice : Federica Cresto
• Direction : Xavier Fléchard, Bertram Blank
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/01/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique corpusculaire de Caen (1947-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Ban
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Lunney, Karsten Riisager, Jean-Charles Thomas, Maud Versteegen, Adam Falkowski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Lunney, Karsten Riisager

Mots clés

Mots clés contrôlés

Centre européen pour la recherche nucléaire

Modèle standard (physique)

Mots clés libres

Théorie V-A

Décroissance beta-proton

Oyaux riches en protons

Expérience WISArD

Courants exotiques

Courant scalaire

Standard Model

V-A Theory

Beta-delayed proton decay

Proton-rich nuclei

32Ar

CERN

ISOLDE

WISArD Experiment

Kinematic energy shift

Exotic currents

Scalar current

Résumé

La désintégration nucléaire bêta a représenté pendant plus d’un demi-siècle un terrain d’expérimentationflorissant pour le Modèle Standard (MS), contribuant notamment au développement de la théorie de l’interactionélectrofaible. En fait, la grande variété d’états nucléaires et de transitions bêta fournit un outil très remarquableet compétitif avec les expériences de physique des hautes énergies dans la recherche de la présence éventuellede contributions non-MS à la description fermement établie vecteur - vecteur axial (V-A) de l’interactionfaible. En particulier, la détermination expérimentale conjointe ( ̃aβ ν ) du coefficient de corrélation angulairebêta-neutrino (aβ ν ) et du terme de Fierz ainsi corrélé (bF ) pour des transitions pures de Fermi et de Gamow-Tellerpermet directement de fixer des nouvelles limites sur l’existence de courants scalaires et tenseurs, respectivement.La façon la plus directe d’accéder à aβ ν serait donc de mesurer la corrélation entre les leptons émis lors de ladésintégration bêta; comme une mesure directe du neutrino est presque impossible, le coefficient mixte ̃aβ νpeut être déterminé à partir du recul du noyau fils, qui peut être mesuré soit directement au moyen de mesuresde pièges, soit indirectement, en exploitant le décalage cinématique qu’il induit sur la distribution d’énergie desparticules β -retardées émises en cas de noyaux fils instables, comme envisagé par l’expérience WISArD auCERN.L’expérience WISArD (Weak Interaction Studies with 32Ar Decay) vise à une mesure précise du coeffi-cient ̃aβ ν (dépendent à la fois de aβ ν et bF ) pour des transitions Fermi et Gamow-Teller en utilisant ledéplacement d’énergie cinématique des protons β -retardés émis dans la même direction ou dans la directionopposée au positron emis lors de la décroissance bêta de l’32Ar. Une expérience de preuve de principe, bien quelimitée en statistique et réalisée via une configuration expérimentale encore rudimentaire, a été réalisée avecsuccès à ISOLDE/CERN en novembre 2018, conduisant déjà à la troisième meilleure mesure de ̃aβ ν pour lestransitions de Fermi. Après avoir déterminé et estimé les erreurs systématiques, une mise à niveau du dispositifexpérimental a été commisionée et réalisée au cours des deux dernières années, permettant potentiellementd’atteindre dans une nouvelle campagne expérimentale la précision visée du niveau du pour mille sur la détermi-nation de ̃aβ ν . Dans cet objectif, une nouvelle campagne expérimentale a été conduite à ISOLDE en octobre 2021.Dans la suite, tout d’abord une introduction générale au modèle standard de la physique des particuleset à la description solidement établie vecteur – vecteur axial (V-A) de l’interaction faible sera donnée. Deplus, les differentes possibilités offertes par la désintégration bêta nucléaire pour rechercher de l’éventuellephysique exotique, non prévue à l’origine dans le modèle standard, seront illustrées. Le principe de la mesuredu décalage cinématique sera précisé, avec la description du dispositif experimental utilisé pour la campagneexperimentale en octobre 2021. Le pre-traitement des données et la relative analyse, ainsi que les simulationsGeant4 du dispositif experimental et une comparaison entre résultats experimentaux et simulés seront discutés.

Over the past decades, the nuclear β -decay has steadily demonstrated as a reliable instrument to improve ourunderstanding of the weak interaction, extensively permitting to precisely search for the possible existence ofphysics not originally predicted within the Standard Model (SM) of particle physics. Radioactive nuclei offerindeed unique opportunities to study the structure and the symmetries of the weak interaction, as well as to becompetitive with high-energy experiments in the investigation for the possible presence of exotic scalar andtensor interactions not included within the SM firmly established vector – axial-vector (V-A) description of theweak interaction. In this framework, the experimental determination of the ̃aβ ν coefficient - function of boththe beta-neutrino angular correlation coefficient (aβ ν ) and the correlated Fierz term (bF ) - for pure both Fermiand Gamow-Teller transitions directly allows to set new limits on the existence of scalar and tensor currents,respectively.A fundamental contribution to improve the present constraints on the scalar and tensor interactions iscurrently coming from the measurements performed on the kinematic energy shift of the β -delayed protonsemitted by 32Ar studied at the WISArD (Weak Interaction Studies with 32Ar Decay) experiment, permanentlyinstalled at ISOLDE/CERN. After a successful proof-of-principle experiment and a complete estimation of theassociated systematic uncertainties, an upgrade of the existing experimental set-up has been realized through thepast two years, potentially permitting to reach the aimed precision of the permil level on the determination ofthe ̃aβ ν coefficient. In this manuscript, the new experimental campaign conduced at ISOLDE in October 2021will be presented and the related data analysis, numerical simulations and preliminary results will be discussed.