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Theses Year : 2010

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

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Abstract

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 (SDR) or the excitation energy spacing between the isobaric analog states (IAS) 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. In 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 IAS 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 SDR, 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. In 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 nucleusindependent 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 |Vud| thus obtained well 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. In this way, the semileptonic weak interaction processes, e.g., neutrino reactions, chargedlepton capture, β-decays, can be investigated microscopically and self-consistently. First illustrative calculations of the inclusive neutrino-nucleus cross section are performed for the 16O(νe,e−)16F 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-lying excited states of the daughter nucleus.
Les excitations d'´echange de charge dans les noyaux constituent l'un des sujets importants et actuels en physique nucl´eaire et en astrophysique. En principe, une connaissance syst´ematique de l'´evolution du comportement de ces excitations `a travers la table des ´el´ements fournirait des informations directes sur les propri´et´es en spin et isospin de l'interaction entre nucl´eons dans le milieu nucl´eaire, et sur l'´equation d'´etat de la mati`ere nucl´eaire. Par ailleurs, une quantit´e d'importance essentielle pour la structure des noyaux, l'´epaisseur de la peau de neutrons, peut ˆetre d´etermin´ee par la r`egle de somme de la r´esonance spin-dipolaire (RSD) ou par la s´eparation en ´energie entre l'´etat isobarique analogue (EIA) et la r´esonance de Gamow-Teller (RGT). Plus g´en´eralement, les excitations d'´echange de charge permettent d'aborder des probl`emes d'int´erˆet g´en´eral tels que l'´etude de l'´evolution des ´etoiles `a neutrons et des supernovae, la d´ecroissance β des noyaux le long du processus r dans la nucl´eosynth`ese stellaire, ou les interactions neutrino-noyau. Elles jouent aussi un rˆole essentiel pour extraire la valeur de l'´el´ement Vud de la matrice de Cabibbo-Kobayashi- Maskawa par le biais de la r´eaction de d´ecroissance β super-permise 0+ → 0+ dans les noyaux. Pour toutes ces raisons, il est important de d´evelopper des th´eories microscopiques des excitations d'´echange de charge, et ceci constitue la principale motivation de notre recherche. Dans ce travail, nous ´etablissons le formalisme et les m´ethodes num´eriques pour d´ecrire les excitations d'´echange de charge dans le cadre de la Random Phase Approximation (RPA) selfconsistante construite sur l'approximation de Hartree-Fock relativiste (RHF). Un test important de pr´ecision num´erique est r´ealis´e sur l'´etat isobarique analogue. La m´ethode est ensuite utilis´ee pour mener des applications num´eriques r´ealistes sur un certain nombre de questions physiques: les r´esonances de spin-isospin dans les noyaux proches des noyaux magiques, les corrections dˆues aux m´elanges d'isospin dans les transitions β super-permises, les interactions neutrino-noyau dans les voies de courants charg´es. Pour les deux modes importants de spin-isospin que sont la RGT et la RSD nous trouvons qu'un excellent accord avec l'exp´erience est obtenu sans aucun r´eajustement des param`etres du mod`ele. De plus, les termes d'´echange de l'interaction induite par les m´esons isoscalaires jouent un rˆole essentiel dans les excitations de spin-isospin, `a la diff´erence de la RPA construite sur l'approximation de Hartree relativiste. En ce qui concerne notre ´etude des transitions β 0+ → 0+ super-permises l'une des conclusions est que les corrections δc dˆues aux violations de la sym´etrie d'isospin d´ependent sensiblement du champ moyen d'´echange produit par les interactions coulombiennes, mais ne changent pas sensiblement avec le mod`ele de Lagrangien utilis´e. Nous utilisons ces valeurs de δc pour d´eduire des plus r´ecentes valeurs exp´erimentales de ft dans les noyaux T = 1, et en tenant compte des corrections radiatives, les valeurs de Ft ”ind´ependantes de noyaux”. Nous obtenons ainsi des valeurs de l'´el´ement de matrice |Vud| de Cabbibo-Kobayashi-Maskawa en bon accord avec les valeurs d´eduites des d´ecroissances neutronique et pionique, et les transitions dans les noyaux miroirs, tandis que la somme des carr´es des ´el´ements de la premi`ere ligne d´evie l´eg`erement de la condition d'unitarit´e. Nous avons ´egalement utilis´e nos fonctions d'onde RPA pour ´evaluer les amplitudes de transition correspondant `a l'interaction faible lepton-hadron sous la forme standard courant-courant. Ainsi, les processus faibles semi-leptoniques tels que les r´eactions neutrino-noyau, capture leptonique charg´ee, d´esint´egration β, peuvent ˆetre ´etudi´es. Nos premi`eres applications concernent la r´eaction 16O(νe, e−)16F pour laquelle nous comparons nos pr´edictions avec celles d'autres auteurs. Dans la discussion des r´esultats nous nous effor¸cons en particulier de clarifier l'influence appr´eciable des diff´erentes prescriptions que l'on peut adopter pour le choix de la constante de couplage vecteur axiale et l'inclusion ou non des ´etats excit´es de basse ´energie dans le noyau final.
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Dates and versions

tel-00506913 , version 1 (29-07-2010)

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  • HAL Id : tel-00506913 , version 1

Cite

H. Liang. Nuclear charge-exchange excitations in a self-consistent covariant approach. Physique Nucléaire Théorique [nucl-th]. Université Paris Sud - Paris XI, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00506913⟩

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