CE31 - Physique Subatomique, Sciences de l'Univers, Structure et Histoire de la Terre

Etudes de l'interaction faible avec la décroissance de 32Ar – WISArD

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

L'effet Doppler sur des protons émis après décroissance beta de 32Ar donne accès à la corrélation angulaire beta-neutrino qui, elle, indique les différentes contributions, scalaire, vectorielle, tensorielle et axial-vectorielle de l'interaction faible. Un dispositif spécifique permettra d'améliorer les contraintes actuelles d'un facteur 5.

Nouvelles contraintes sur les courants exotiques de l'interaction faible

L'interaction faible est décrite aujourd'hui par deux contributions, vectorielle et axial-vectorielle. Deux autres contributions, scalaire et tensorielle, sont autorisées par la théorie, mais ne sont pas nécessaires pour décrire l'observation. Des limites sont alors données pour ces contributions «exotiques«. Le but du présent projet est d'améliorer les limites d'un facteur 5.

Pour détecter proton et beta simultanément, le dispositif expérimental est installé dans un fort champ magnétique de 4 Tesla. Ce champs permet de guider les particules beta vers une détection spécifique séparée de la détection proton.Ainsi les deux systèmes de détection peuvent être optimisés séparément.

Une expérience test a été mené avec succès en Novembre 2018 qui a permis de valider l'approche et de prédire avec certitude les précisions atteignables dans une expériences dédiée future. Un papier sur cette mesure test a été accepté récemment dans PRC. Des mesures et tests d'optimisation sont actuellement en cours pour développer un dispositif pour une future compagne de prise de données.

Nous sommes actuellement en train de développer le dispositif expérimental pour une future compagne de mesure qui pourra commencer après la reprise du fonctionnement des accélérateurs du CERN en 2021. Ainsi tous les détecteurs sont optimisés via des tests en laboratoires, des modèles de simulations sont développés et un nouveau système de contrôle/commande de toute l'expérience a été construit. Le tout sera prêt pour une reprise des mesures au printemps 2021.

V. Araujo-Escalona et al., accepté dans PRC

L'interaction faible régissant la désintégration ß nucléaire est décrite dans le modèle standard de la physique des particules comme étant constituée de deux courants, le courant vectoriel pour les désintégrations Fermi et le courant axial-vectoriel pour des désintégrations Gamow-Teller. Tous les résultats expérimentaux peuvent être décrits avec ces deux interactions. D'un point de vue théorique plus globale, des courants scalaire, tensoriel et pseudo-scalaire (aux énergies relativistes uniquement) sont autorisés. Dans un tel scénario, le courant scalaire apparaîtrait avec le courant vectoriel et le courant tensoriel avec le courant axial-vectoriel.

Les limites de ces courants «exotiques» peuvent être obtenues à partir d'expériences de physique des hautes énergies qui tentent de produire les bosons responsables de ces nouvelles interactions ou d'expériences de précision à basse énergie, par ex. dans la désintégration ß, par la recherche de petites déviations par rapport aux prévisions du modèle standard. La présente proposition suit ce dernier chemin.

Actuellement les meilleures limites pour des courants scalaires proviennent de la valeur Ft des transitions de Fermi et des mesures de la corrélation ß-? dans la désintégration de 38mK (précision 0.5%) et 32Ar (0.65%). Pour les recherches de courants tensoriels, la meilleure précision est de 1% avec une mesure de la différence d'énergie entre les particules alpha provenant de la désintégration de 8Li.

L'expérience précédente avec 32Ar est proche de celle que nous présentons ici. 32Ar se désintègre, entre autre, par une décroissance de Fermi vers un état dans 32Cl, son état isobarique analogue, qui n'est pas lié à l'émission de protons. En raison du recul du noyau fils suite à l'émission du positron et du neutrino, le proton est émis par une source en mouvement et est sujet à l'effet Doppler. Comme la distribution angulaire positron-neutrino est différente entre la partie vectorielle dominante et un éventuel courant scalaire, la mesure de l'élargissement Doppler du pic proton et la comparaison aux prédictions avec ou sans contribution exotique ont permis de déterminer l'une des meilleures limites sur les courants scalaires.

Afin d'obtenir ce résultat précis, l'expérience a été installée dans un champ magnétique pour éloigner les positrons des détecteurs protons. Cependant, les positrons n'ont pas été détectés. Dans cette proposition, nous suggérons d'effectuer une première mesure du décalage Doppler, mesurant les coïncidences positon-proton dans la décroissance proton ß-retardée, au lieu de l'élargissement Doppler, en gardant à l'esprit qu'un décalage est plus facile à mesurer avec une précision élevée.

La précision visée pour le coefficient de corrélation, à extraire du décalage Doppler, est de 0,1% (gain d’un facteur 5). Une plus grande précision par rapport à l'expérience précédente est possible car une mesure du décalage Doppler est moins sujet à des erreurs systématiques. Un autre facteur important est que nous proposons une installation à long terme de WISArD à ISOLDE ce qui nous permettra d'améliorer successivement le dispositif. La beauté du projet actuel est aussi que 32Ar peut être remplacé par ex. par 20Mg permettant d'effectuer une mesure similaire. Les états peuplés par décroissance Gamow-Teller pourraient permettre la recherche de courants tensoriels avec la même technique.

Il a été montré que pour des précisions au niveau de quelques pour mille, les mesures de corrélation ß-? restent compétitives avec les recherches du LHC pour les courants faibles exotiques. Notre résultat amènerait ainsi la sensibilité aux courants scalaires au même niveau que les limites projetées de la prise de données à 14TeV du LHC.

L'installation de WISArD à ISOLDE a été récemment approuvée par le Comité de Collaboration d’ISOLDE, l'organe politique d'ISOLDE. Une lettre d'intention soumise au comité d’expérience d’ISOLDE demandant un premier temps de faisceau test a été approuvée.

Coordination du projet

Bertram Blank (CENTRE D'ETUDES NUCLEAIRES DE BORDEAUX GRADIGNAN)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

KU Leuven / Department of Physics and Astronomy
LPCC LABORATOIRE DE PHYSIQUE CORPUSCULAIRE DE CAEN
CENBG CENTRE D'ETUDES NUCLEAIRES DE BORDEAUX GRADIGNAN

Aide de l'ANR 621 955 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2018 - 48 Mois

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