Muon transfer from muonic hydrogen to heavier atoms
Transfert de charge muonique
Résumé
This work concerns muon transfer from muonic hydrogen to heavier atoms. Recently, a method of measurement of the hyperfine structure of ground-state muonic hydrogen based on the collision energy dependence of the muon transfer rate to oxygen has been proposed. This proposal is based on measurements which where performed at the Paul Scherrer Institut in the early ninetee's which indicate that the muon transfer from muonic hydrogen to oxygen increases by a factor of 4 going from thermal to 0.12 eV energies. The motivation of our calculations was to confirm this behaviour. To study the collision energy dependence of the muon transfer rate, we have used a time-independent close-coupling method. We have set up an hyperspherical elliptic formalism valid for nonzero total angular momentum which allows accurate computations of state-to-state reactive and charge exchange processes. We have applied this formalism to muon-tranfer process to oxygen and neon. The comparison with experimental results is in both cases excellent. Finally, the neon transfer rate dependence with energy suggests to use neon instead of oxygen to perform a measurement of the hyperfine structure of muonic hydrogen. The results of accurate calculations of the muon transfer rates from muonic protium and deuterium atoms to nitrogen, oxygen and neon are also reported. Very good agreement with measured rates is obtained and for the three systems, the isotopic effect is perfectly reproduced.
Cette thèse traite du transfert du muon entre l'hydrogène muonique et d'autres atomes et molécules. Récemment, Adamczak et al. ont proposé une méthode de mesure de la structure hyperfine de l'état fondamental de l'hydrogène muonique basée sur la dépendance énergétique du taux de transfert muonique sur l'oxygène. Réalisées dans les années 90 au Paul Scherrer Institut, des expériences ont en effet indiqué que le taux de transfert sur l'oxygène semblait augmenter d'un facteur 4 entre des énergies de collision thermiques (0.04 eV) et épithermiques (0.12 eV). Nos calculs avaient pour première motivation de vérifier ce comportement. Pour étudier cette dépendance du taux de transfert, nous avons utilisé une méthode de résolution de l'équation de Schrödinger indépendante du temps du type close-coupling. Nous avons ainsi mis en oeuvre un formalisme utilisant les coordonnées hypersphériques elliptiques étendu pour traiter le cas d'un moment angulaire total différent de zéro. Nous avons utilisé ce formalisme pour calculer le processus de transfert sur l'oxygène et le néon. Dans ces deux cas, l'accord avec les résultats expérimentaux est excellent. Finalement, la dépendance énergétique du taux de transfert sur le néon suggère de préférer plutôt le néon à l'oxygène pour réaliser l'expérience de mesure de la structure hyperfine de l'hydrogène muonique. Les effets isotopiques (lorsque l'hydrogène muonique est remplacé par le deutérium muonique) sont aussi parfaitement reproduits et expliqués pour l'azote, l'oxygène et le néon.