Precision measurements in the weak interaction framework: development of realistic simulations for the LPCTrap device installed at GANIL

This work belongs to the effort presently deployed to measure the angular correlation parameter aβν in threenuclear beta decays (6He+,35Ar+et 19Ne+). The V-A structure of the weak interaction implies that aβν = +1for a pure Fermi transition and aβν = -1/3 for a pure Gamow-Teller transition. A thorough measurement ofthis parameter to check any deviation from these values may lead to the discovery of possible exotic currents.Furthermore, the measurement of aβν in mirror transitions allows the extraction of Vud, the first element of theCabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrix. The LPCTrap apparatus, installed at GANIL, is designed to readya continuous ion beam for injection in a dedicated Paul trap. This latter device allows to have a quasi-ponctualsource from which the decay products are detected in coincidence. It is from the study of the recoil ion time-of-flight (TOF) distribution that aβν is withdrawn and, since 2010, the associated Shake-Off (SO) probabilities. Thisstudy requires the complete simulation of the LPCTrap experiments. The major part of this work is dedicatedto such simulations, especially to the modeling of the trapped ion cloud dynamic. The Clouda program, whichtakes advantage of graphics processing unit (GPU), was developed in this context and its full characterization ispresented here. Three important aspects are addressed: the electromagnetic trapping field, the realistic collisionsbetween the ions and the buffer gas atoms and the space charge effect. The present work shows the importanceof these simulations to increase the control of the systematic errors on aβν.
Cette thèse s’inscrit dans l’effort déployé pour mesurer le paramètre de corrélation angulaire bêta-neutrino aβν dans trois décroissances bêta nucléaires (6He+,35Ar+et 19Ne+). La structure V-A de l’interaction faible prévoit que aβν = +1 pour les transitions de Fermi pures et aβν = -1/3 pour les transitions de Gamow-Teller pure. Une mesure fine de ce paramètre pour tester un écart à ces valeurs peut révéler l’existence de courants exotiques. Par ailleurs, la mesure de ce paramètre dans le cas de transitions mirroirs permet d’extraire le premier élément de la matrice de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), Vud. Le dispositif LPCTrap, installé au GANIL, est conçu pour préparer un faisceau continu d’ions à l’injection dans un piège de Paul dédié. Ce dernier permet de disposer d’une source quasi-ponctuelle à partir de laquelle les produits de désintégrations sont détectés en coïncidences. C’est par l’étude de la distribution du temps de vol des ions de recul que sont extraits la valeur deaβν et, depuis 2010, les probabilités de Shake-Off (SO) associées. Cette étude nécessite la simulation complète des expériences LPCTrap. La majeure partie du présent travail est dédiée à de telles simulations, en particulier à la modélisation de la dynamique du nuage d’ions piégés. Le programme Clouda, qui profite des unités de calcul graphique (GPU), a été développé dans cette optique et sa caractérisation complète est présentée ici. Trois aspects importants sont abordés: le champ de piégeage électro-magnétique, les collisions réalistes entre les ions et les atomes de gaz tampon et l’effet de la charge d’espace. La présente étude démontre l’importance de ces simulations pour accroître le contrôle des erreurs systématiques sur aβν.