Excitations d'échange de charge dans les noyaux atomiques : une approche covariante et self-consistante

Nuclear charge-exchange excitations in a self-consistent covariant approach

• Auteur / Autrice : Haozhao Liang
• Direction : Peter Schuck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spin isobarique

Échange de charge

Hartree-Fock, Méthode d'approximation

Mots clés libres

Random phase approximation

Unitarity of CKM matrix

Exchange interactions in relativistic mean field

Neutrino-nucleus cross sections

Isospin mixing in nuclei

Résumé

Les excitations d'échange de charge dans les noyaux constituent l'un des sujets importants et actuels en physique nucléaire et en astrophysique. En principe, une connaissance systématique de l'évolution du comportement de ces excitations à travers la table des éléments fournirait des informations directes sur les propriétés en spin et isospin de l'interaction entre nucléons dans le milieu nucléaire, et sur l'équation d'état de la matière nucléaire. Par ailleurs, une quantité d'importance essentielle pour la structure des noyaux, l'épaisseur de la peau de neutrons, peut être déterminée par la règle de somme de la résonance spin-dipolaire (RSD) ou par la séparation en énergie entre l'état isobarique analogue (ElA) et la résonance de Gamow-Teller (RGT). Plus généralement, les excitations d'échange de charge permettent d'aborder des probèmes d'inérêt général tels que l'étude de l'évolution des étoiles à neutrons et des supernovae, la décroissance des noyaux le long du processus r dans la nucléosynthèse stellaire, ou les interactions neutrino-noyau. Elles jouent aussi un rôle essentiel pour extraire la valeur de l'élément Vud de la matrice de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa par le biais de la réaction de décroissance β super-permise 0 +→ 0+ dans les noyaux. Pour toutes ces raisons, il est important de d'evelopper des théories microscopiques des excitations d'échange de charge, et ceci constitue la principale motivation de notre recherche. Dans ce travail, nous établissons le formalisme et les méthodes numériques pour d' ecrire les excitations d'échange de charge dans le cadre de la Random Phase Approximation (RPA) self-consistante construite sur l'approximation de Hartree-Fock relativiste (RHF). Un test important de précision numérique est réalisé sur l'état isobarique analogue. La méthode est ensuite utilisée pour mener des applications numériques réalistes sur un certain nombre de questions physiques : les résonances de spin-isospin dans les noyaux proches des noyaux magiques, les corrections dûes aux mélanges d'isospin dans les transitions β super-permises, les interactions neutrino-noyau dans les voies de courants chargés. Pour les deux modes importants de spin-isospin que sont la RGT et la RSD nous trouvons qu'un excellent accord avec l'expérience est obtenu sans aucun réajustement des paramètres du modèle. De plus, les termes d'échange de l'interaction induite par les mésons isoscalaires jouent un rôle essentiel dans les excitations de spin-isospin, à la différence de la RPA construite sur l'approximation de Hartree relativiste. En ce qui concerne notre étude des transitions β 0+ → 0+ super-permises, l'une des conclusions est que les corrections δc dues aux violations de la symétrie d'isospin dépendent sensiblement du champ moyen d'échange produit par les interactions coulombiennes, mais ne changent pas sensiblement avec le modèle de Lagrangien utilisé. Nous utilisons ces valeurs de δc pour déduire des plus récentes valeurs expérimentales de ft dans les noyaux T = 1, et en tenant compte des corrections radiatives, les valeurs de Ft "indépendantes de noyaux". Nous obtenons ainsi des valeurs de l'élément de matrice ıVudı de Cabbibo-Kobayashi-Maskawa en bon accord avec les valeurs déduites des décroissances neutronique et pionique, et les transitions dans les noyaux miroirs, tandis que la somme des carrés des éléments de la première ligne dévie légèrement de la condition d'unitarité. Nous avons également utilisé nos fonctions d'onde RPA pour évaluer les amplitudes de transition correspondant à l'interaction faible lepton-hadron sous la forme standard courant-courant. Ainsi, les processus faibles semi-leptoniques tels que les réactions neutrino-noyau, capture leptonique chargée, désintégration β , peuvent être étudiés. Nos premières applications concernent la réaction 16 O(Ve , e - ) 16 F pour laquelle nous comparons nos prédictions avec celles d'autres auteurs. Dans la discussion des résultats nous nous efforçons en particulier de clarifier l'influence appréciable des différentes prescriptions que l'on peut adopter pour le choix de la constante de couplage vecteur axiale et l'inclusion ou non des états excités de basse énergie dans le noyau final.

Nowadays, charge-exchange excitations in nuclei become one of the central topics in nuclear physics and astrophysics. Basically, a systematic pattern of the energy and collectivity of these excitations could provide direct information on the spin and isospin properties of the in-medium nuclear interaction, and the equation of state of asymmetric nuclear matter. Furthermore, a basic and critical quantity in nuclear structure, neutron skin thickness, can be determined indirectly by the sum rule of spin-dipole resonances (SOR) or the excitation energy spacing between the isobaric analog states (lAS) and Gamow-Teller resonances (GTR). More generally, charge-exchange excitations allow one to attack other kinds of problems outside the realm of nuclear structure, like the description of neutron star and supernova evolutions, the β-decay of nuclei which lie on the r-process path of stellar nucleosynthesis, and the neutrino-nucleus cross sections. They also play an essential role in extracting the value of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrix element Vud via the nuclear 0+→ 0 + superallowed Fermi β decays. For all these reasons, it is important to develop the microscopic theories of charge-exchange excitations and it is the main motivation of the present work. Ln this work, a fully self-consistent charge-exchange relativistic random phase approximation (RPA) based on the relativistic Hartree-Fock (RHF) approach is established. Its self-consistency is verified by the so-called lAS check. This approach is then applied to investigate the nuclear spin-isospin resonances, isospin symmetry-breaking corrections for the superallowed β decays, and the charged-current neutrino-nucleus cross sections. For two important spin-isospin resonances, GTR and SOR, it is shown that a very satisfactory agreement with the experimental data can be obtained without any readjustment of the energy functional. Furthermore, the isoscalar mesons are found to play an essential role in spin-isospin resonances via the exchange terms, which leads to a profound effect in the nuclear isovector properties, e. G. , the density dependence of the symmetry energy in nuclear matter. Ln the investigation of the isospin symmetry-breaking corrections for the superallowed β decays, it is found that the corrections δc are sensitive to the proper treatments of the Coulomb mean field, but not so much to specific effective interactions. With these corrections δc, the nucleus-independent Ft values are obtained in combination with the experimental ft values in the most recent survey and the improved radiative corrections. The values of Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix element IVudI thus obtained weil agree with those obtained in neutron decay, pion decay, and nuclear mirror transitions, while the sum of squared top-row elements somehow deviates from the unitarity condition. Expressing the weak lepton-hadron interaction in the standard current-current form, the relevant transitions from the nuclear ground state to the excited states are calculated with RHF+RPA approach. Ln this way, the semileptonic weak interaction processes, e. G. , neutrino reactions, charged- lepton capture, β-decays, can be investigated microscopically and self-consistently. First illustrative calculations of the inclusive neutrino-nucleus cross section are performed for the 16 O(Ve ,e-)16 F reaction, and a good agreement with the previous theoretical studies is obtained. The main effort is dedicated to discussing the substantial influence of different recipes for the axial vector coupling strength and the theoretical low-Iying excited states of the daughter nucleus.