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Transitions de Fermi super-permises

Mise à jour : février 2016

La radioactivité beta pour l’étude de l’interaction faible

Trois des quatres forces fondamentales de la nature interviennent dans le comportement du noyau atomique : l’interaction forte entre protons et neutrons, l’interaction faible qui transforme un proton en neutron et inversement, et l’interaction électromagnétique entre particules chargées. Cela fait du noyau un "laboratoire" idéal pour étudier ces forces.

Notre groupe utilise la radioactivité beta pour étudier les propriétés de l’interaction électro-faible, une description unifiée des interactions faible et électromagnétique. La force de certaines décroissances beta (la "rapidité" avec laquelle la transition a lieu), appelées transitions de Fermi super permises, entre des états nucléaires 0+, permet de déterminer une constante fondamentale dans le secteur des quarks (les protons et neutrons sont constitués chacun de 3 quarks) : la "constante de couplage vectoriel" de l’interaction électro-faible.

En mesurant avec une grande précision les propriétés des noyaux dont la décroissance peut donner lieu à une telle transition \beta+ super-permise 0+ —> 0+, il est possible de déterminer la force de la transition, notée valeur ft . Les grandeurs à mesurer sont la durée de vie du noyau parent T1/2, le rapport d’embranchement BR (intensité relative) de la transition super-permise, et la différence de masse entre les noyaux père et fils de la décroissance, notée Q. La valeur ft expérimentale doit être corrigée par des corrections théoriques (de l’ordre du %), pour donner une valeur Ft indépendante du noyau considéré, qui permet d’extraire la constante de couplage vectoriel gv.


Schéma de la décroissance \beta+ du noyau atomique. A l’échelle du noyau, un proton est transformé en neutron, avec émission d’un positon et d’un neutrino. A l’échelle des quarks, un quark up est transformé en quark down. Les observables expérimentales sont la durée de vie T1/2, le rapport d’embranchement BR de la transition, et la différence de masse entre les états père et fils (chaleur de réaction Q)

 

Cette constante de couplage est directement liée au mélange des différentes saveurs de quarks, tel qu’il a été décrit par N. Cabibbo et par les lauréats du prix Nobel M. Kobayashi et T. Maskawa, dans la matrice de mélange dite de Cabibbo, Kobayashi, Maskawa (CKM).


La matrice CKM couple les différentes saveurs de quarks. Les quarks "théoriques" se transforment en quarks "réels"

 

Programme experimental

Au sein du groupe, nous avons commencé un programme de mesures de haute précision, principalement à l’université de Jyväskylä (au Laboratoire de l’Accélérateur) en Finlande, et à ISOLDE, au CERN (Suisse). Les premières expériences étaient consacrées à la décroissance de 62Ga, dont nous avons mesuré la durée de vie (une expérience a également eu lieu au séparateur en ligne de GSI, Darmstadt) et le rapport d’embranchement avec la précision requise. La figure ci-dessous montre une photo du dispositif expérimental utilisé dans ces expériences. Par la suite, nous avons déterminé avec précision les durées de vie de 26Si, 30S, et 42Ti. Celle de 38Ca a été mesurée au cours d’une expérience à ISOLDE, au CERN.


Photo du dispositif utilisé au cours d’une des expérience à Jyväskylä, qui montre, sur la gauche, 3 détecteurs germanium pour la détection du rayonnement gamma, et les photomultiplicateurs pour la lecture des plastiques scintillants pour la détection des particules beta (positons). La trappe de Penning, à droite, sert à purifier les échantillons de noyaux radioactifs et à mesurer la différence de masse (valeur Q) entre le noyau parent et le noyau fils.

 

La figure ci-dessous montre un résultat typique des mesures de durée de vie. Le spectre en temps des événements de décroissance doit être décomposé en contributions du bruit de fond, de la décroissance du noyau fils, et de celle du noyau d’intérêt. Un ajustement de l’ensemble permet d’extraire la durée de vie recherchée.


Exemple de courbe de décroissance mesurée au cours de nos expériences. Les données du noyau qui nous intéresse, 38Ca, sont mélangées avec celles de la décroissance du fils, 38mK, et du bruit de fond.

 

Au delà des mesures de haute précision de la durée de vie, il faut déterminer le rapport d’embranchement et la chaleur de réaction Q avec la même précision. La précision sur Q peut être obtenue par spectroscopie de masse à l’aide d’une trappe de Penning. Ce type d’expérience est mené avec des instruments tels que ISOLTRAP au CERN, JYLFTRAP à Jyväskylä ou des installations similaires. Un résultat typique obtenu à JYFLTRAP est montré dans la figure ci-dessous.


Détermination des masses de 62Ga et 62Zn par la mesure de leur "fréquence cyclotron" pour en déduire la chaleur de réaction Q.

 

Les futures mesures

Aujourd’hui, la difficulté réside dans la mesure de haute précision des rapports d’embranchement. Pour de telles mesures, nous nous somme lancés dans l’étalonnage très précis ( 0,2%) de l’efficacité de détection d’un détecteur germanium (détails). Dans le cadre de ce programme, nous avons mesuré les rapports d’embranchement de 18Ne, 38Ca et 10C. Les prochaines mesures porteront sur 26Si, 30S, et 42Ti.

 



Photo du dispositif utilisé au cours de notre de expérience à ISOLDE-CERN pour mesurer le rapport d’embranchement de 10C. Il est mesuré avec notre détecteur germanium calibré avec haute précision. L’activité est accumulée dans un "catcher" fixe placé face au détecteur germanium. Un détecteur silicium (DSSSD) est utilisé pour contrôler le profil d’implantation.

 

Différentes mesures de ce type sont effectuées à travers le monde, et sont régulièrement évaluées. Le résultat, les "données mondiales" sur les valeurs Ft de haute précision, est montré dans la figure ci-dessous. A partir de ces données, il est possible d’extraire la constante de couplage vectoriel de l’interaction électro-faible et, grâce à une mesure complémentaire de décroissance des muons, il est également possible de déduire l’élément de matrice Vud.

La figure ci-dessous est un résumé de ces mesures. Les isotopes en rouge sont ceux pour lesquels la meilleure précision a pu être obtenue. Ceux en vert sont les candidats pour les expériences à venir. Ces travaux conduisent à la mesure la plus précise de la constante de couplage et de l’élément de la matrice CKM, environ d’un ordre de grandeur plus précise que les valeurs obtenues par d’autres méthodes.


La figure montre les "données mondiales" sur les transitions de Fermi super-permises 0+ —> 0+. L’insert montre les cas pour lesquels des mesures de très haute précision ont déjà pu être obtenues. Les noyaux en vert indiquent les isotopes étudiés actuellement ou dans les expériences à venir.

 

Transitions beta miroir

Une approche alternative consiste à étudier les transitions beta miroir. Il s’agit de décroissances qui mélangent transitions de Fermi (vectorielle) et de Gamow-Teller (axiale-vectorielle), qui permettent d’étudier le même sujet. En plus des durées de vie, des rapports d’embranchement et des chaleurs de réaction, le mélange Fermi/Gamow-Teller dans la transition doit être mesuré, par exemple en déterminant les corrélations angulaires beta-neutrino, ce qui constitue des mesures extrêmement difficiles.

Néanmoins, une analyse récente des données existante a montré le potentiel de cette approche, et des nouvelles mesures ont été commencées. La figure ci-dessous montre les résultats sur Vud obtenus par les différentes méthodes pour déterminer cet élément de matrice.


Comparaison des précisions obtenues sur l’élément Vud de la matrice CKM, par les décroissances beta 0+ —> 0+, la décroissance du neutron, les transitions miroir, et la décroissance du pion.

 

Dans le cadre de ce programme, nous avons mesuré les durées de vie et les rapports d’embranchement dans les décroissances de 31S, 23Mg, 27Si, et 37K. Les prochaines mesures porteront sur 17F et 29P.