Precision measurements of superallowed Fermi β-decay allow for stringent tests of the magnitude of isospin-symmetry-breaking effects in nuclei, the validity of the conserved vector current hypothesis, and the unitarity of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) quark-mixing matrix. A high-precision measurement of the branching ratio for the superallowed β+ decay of 74Rb has been performed at the Isotope Separator and ACcelerator (ISAC) facility at TRIUMF. The 8π spectrometer, an array of 20 HPGe detectors, was used to detect γ-rays emitted following the Gamow-Teller and non-analogue Fermi β-decays of 74Rb. PACES, an array of 5 Si(Li) detectors, was used to detect emitted conversion electrons, while half of SCEPTAR, a close-packed array of 10 plastic scintillators, was used to detect emitted β particles. In this experiment, 23 excited states were identified in 74Kr which were populated following the β-decay of 74Rb. A total of 58 γ-rays were identified following the 8.241(4)x108 detected β-particles. An observed non-superallowed branching ratio of 0.396(7)% was determined from the intensity of the identified γ-rays, while the unobserved non-superallowed intensity was calculated to be 0.05(5)%, leading to a superallowed branching ratio of 99.55(5)%. The superallowed branching ratio is now the most precise experimental quantity in the determination of the superallowed ft-value of 74Rb. Combining the half-life and Q-value with the superallowed branching ratio measured in this work leads to a superallowed ft-value of 3082.6(66) s. Finally, comparisons between the superallowed ft-value, the world average Ft-value, and the non-analogue Fermi branching ratio are made to provide future guidance in the refinement of the theoretical models required to describe the crucial isospin-symmetry-breaking term in superallowed β-decay.

As part of an ongoing program to study fundamental symmetries in nuclear physics, a thorough investigation into shell-model isospin-symmetry-breaking (ISB) calculation theory has been conducted using direct reactions to observe detailed nuclear-structure information. The work presented in this Thesis focuses on the 62Ga superallowed beta-decay system, and consists of two primary experiments; 1) A 64Zn(d,t)63Zn single-neutron transfer reaction, aimed at observing spectroscopic strengths to help guide calculation model-space truncations for the beta-decay wave function radial-overlap component of ISB, and 2) A two-neutron 64Zn(p,t)62Zn transfer to search for excited 0+ states in the daughter nucleus of 62Ga. The experiments were performed at the Maier-Leibnitz-Laboratory, on the joint campuses of the Ludwig-Maximilians Universitat and the Technische Universitat Munchen, in Garching, Germany. In total, 162 states in 63Zn were populated from the 64Zn(d,t) reaction, up to an excitation energy of 4.8 MeV, including the observation of 125 new levels, and unique spin/parity assignments for 92 states. As a result, this work provides the most complete picture for low-spin states in 63Zn to date. A comparison of the extracted S values to the predicted shell-model spectroscopic factors shows an overall over-prediction of strength for the 2p3/2 orbital, and a large disagreement for the 1f7/2 orbital above ~3.5 MeV. No significant 1g9/2 strength was observed, leading to the conclusion that the importance of the 1g9/2 orbital for ISB is small. Additionally, 67 states were observed in 62Zn using the two-neutron pickup mechanism, including the observation of five 0+ states. More than 99% of the total 0+ (p,t) cross-section is observed in the ground-state reaction channel, implying a nearly maximal overlap of the wave functions with the two-nucleon transfer operator. The dominance of the ground-state-to-ground-state (p,t) cross section is strikingly similar to the dominance of the superallowed Fermi beta-decay between isobaric-analogue 0+ states. This suggests that the population of excited 0+ states in the (p,t) reaction may reflect the population in the Fermi decay process, and can be used to guide future experimental and theoretical work. Further discussion of these results as they relate to the ISB correction calculations, and the implications for future theoretical work are presented in this Thesis. / This work was supported in part by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, the Ontario Ministry of Economic Development and Innovation, the DFG Cluster of Excellence `Origin and Structure of the Universe', and NSF grant PHY-1068217.

Unter Benutzng von 90.4/fb Daten, die das BABAR-Experiment in den Jahren 1999 bis 2002 genommen hat, wurden die Zerfälle Ds*+ -> Ds+ pi0 und Ds*+ -> Ds+ gamma mit zwei verschiedenen Methoden rekonstruiert. Die Rekonstruktions-Effizienzen wurden mittels Signal-Monte Carlo-Ereignissen und D*0-Zerfällen ermittelt. Auf diese Weise wurde das Partialbreiten-Verhältnis Gamma(Ds*+ -> Ds+ pi0) / Gamma(Ds*+ -> Ds+ gamma) auf vier verschiedene Weisen gemessen. Zusätzlich wurde das Partialbreiten-Verhältnis Gamma(D*0 -> D0 pi0) / Gamma(D*0 -> D0 gamma) gemessen. / Using 90.4/fb of data taken at the BABAR experiment in the years 1999 to 2002, the decays Ds*+ -> Ds+ pi0 and Ds*+ -> Ds+ gamma have been reconstructed with two different methods. Signal Monte Carlo events as well as D*0 decays have been used to determine the reconstruction efficiencies. Thereby, the partial widths ratio Gamma(Ds*+ -> Ds+ pi0) / Gamma(Ds*+ -> Ds+ gamma) has been measured in four different ways. Additionally, the partial widths ratio Gamma(D*0 -> D0 pi0) / Gamma(D*0 -> D0 gamma) has been measured.

Unter Benutzng von 90.4/fb Daten, die das BABAR-Experiment in den Jahren 1999 bis 2002 genommen hat, wurden die Zerfälle Ds*+ -> Ds+ pi0 und Ds*+ -> Ds+ gamma mit zwei verschiedenen Methoden rekonstruiert. Die Rekonstruktions-Effizienzen wurden mittels Signal-Monte Carlo-Ereignissen und D*0-Zerfällen ermittelt. Auf diese Weise wurde das Partialbreiten-Verhältnis Gamma(Ds*+ -> Ds+ pi0) / Gamma(Ds*+ -> Ds+ gamma) auf vier verschiedene Weisen gemessen. Zusätzlich wurde das Partialbreiten-Verhältnis Gamma(D*0 -> D0 pi0) / Gamma(D*0 -> D0 gamma) gemessen. / Using 90.4/fb of data taken at the BABAR experiment in the years 1999 to 2002, the decays Ds*+ -> Ds+ pi0 and Ds*+ -> Ds+ gamma have been reconstructed with two different methods. Signal Monte Carlo events as well as D*0 decays have been used to determine the reconstruction efficiencies. Thereby, the partial widths ratio Gamma(Ds*+ -> Ds+ pi0) / Gamma(Ds*+ -> Ds+ gamma) has been measured in four different ways. Additionally, the partial widths ratio Gamma(D*0 -> D0 pi0) / Gamma(D*0 -> D0 gamma) has been measured.

L’étude de la décroissance β est un outil fantastique pour approfondir notreconnaissance de l’interaction faible décrite par le Modèle Standard. Ce modèle et laphysique au-delà peuvent être testés par des mesures précises de paramètres caractérisantces décroissances. Parmi ces tests, la vérification de l’hypothèse de la conservation ducourant vectoriel (CVC) et de l’unitarité de la matrice de mélange des quarks de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) sont d’un grand intérêt. Pour cela, les paramètres caractérisantles transitions β doivent être déterminés très précisément. Les meilleures précisions ont étéobtenues pour les transitions super-permises de Fermi de type 0+ → 0+. Cependant, il existed’autres types de décroissances pour réaliser ces tests, par exemple, les décroissances βmiroir. À ce jour, elles ne permettent pas d’atteindre les précisions obtenues avec lestransitions de type 0+ → 0+. Pour améliorer cela, de nouvelles mesures très précises desparamètres expérimentaux caractérisant ces transitions, comme la demi-vie et le rapportd’embranchement, sont nécessaires. C’est pourquoi une expérience a été réalisée àl’université de Jyväskylä en Finlande, afin d’étudier la décroissance β des noyaux miroir 23Mget 27Si et de mesurer ces paramètres. Les valeurs des demi-vies obtenues pour ces deuxnoyaux sont respectivement dix fois et sept fois plus précises que les moyennes de lalittérature. La valeur obtenue pour le rapport d’embranchement de 23Mg est trois fois plusprécise que la moyenne de la littérature, celui de 27Si étant déjà connu avec une très grandeprécision (0,02%), n’a pas été déterminé avec une meilleure précision. / Beta decays are a fantastic tool to study the weak interaction described by theStandard Model. This model and the physics beyond can be tested by precisemeasurements of nuclear β decays. Among these tests, the conserved vector current (CVC)hypothesis and the unitarity of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) quark-mixing matrixare of great interest. For these, the parameters of β transitions must be precisely determined.The highest precisions have been obtained with superallowed 0+ → 0+ Fermi β decays.However, there are other possibilities to make these tests, for example mirror β decays. Fornow, they do not allow to achieve the precision of the 0+ → 0+ transitions. To improve this,new accurate measurements of experimental parameters characterizing these transitions,such as the half-life and the branching ratio, are needed. For this purpose, an experimenthas been carried out at the University of Jyväskylä to study the mirror β decays of 23Mg and27Si and to measure these parameters. The half-life values obtained for these two nuclei are,respectively, ten times and seven times more precise than the literature averages. The valueof the branching ratio obtained for 23Mg is three times more precise than the literatureaverage; the one of 27Si has not been improved as it is already precisely known (0.02%).

La conservation du courant faible vectoriel, connue par CVC est une des hypothèses fondamentales du Modèle Standard de l'interaction électrofaible. En revanche, la base théorique de cette hypothèse est seulement l'analogie avec la théorie de l'interaction électromagnétique et la question de sa validité reste posée. La CVC est vérifiable dans les transitions super-permises, 0+ → 0+, T = 1 car elle prédit que le grandeur Ft (≡ ft corrigée) de ces processus à basse énergie doit être indépendant des noyaux mis en jeu. Si la valeur unique de Ft est trouvée, on peut toute de suite déduire la constante du couplage vectorielle GV , reliée à │Vud│, la norme de l'élément le plus important de la matrice du mélange des quarks de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Cet élément de matrice joue un rôle crucial dans le test de l'unitarité de la matrice CKM, une autre hypothèse de base du Modèle Standard. Actuellement, 14 transitions super-permises allant du 10C jusqu'au 74Rb sont expérimentalement connues avec une précision meilleure que 0:1%, Cela fait en sorte que l'accès à la constante de couplage est limité par les corrections théoriques, dues aux effets radiatifs et à la brisure de la symétrie d'isospin. Le principal propos de cette thèse est de ré-examiner la correction due au défaut du recouvrement entre les fonctions d'onde radiales de neutrons et celles de protons (ᵟRO) dans le cadre du modèle en couches. Nos calculs sont basés sur l'expansion des éléments de matrice de Fermi sur les états du noyau intermédiaire, développée précédemment par Towner et Hardy [1]. Cette méthode combine les fonctions d'onde radiales réalistes avec les données spectroscopiques obtenues par un calcul à large échelle, permettant ainsi d'aller au-delà des approches traditionnelles. Nous avons considéré 13 transitions super-permises, y comprises : 22Mg, 26Al, 26Si, 30S, 34Cl, 34Ar, 38K, 38Ca, 46V, 50Mn, 54Co, 62Ga et 66As. Les fonctions d'onde radiales sont déterminées avec un potentiel moyen réaliste, tel que le potentiel phénoménologique de Woods-Saxon (WS) ou le potentiel auto-cohérent de Hartree-Fock (HF) dérivé à partir d'une force effective de Skyrme. Les calculs ont été faits avec des différentes paramétrisations (2 paramétrisations WS et 3 forces de Skyrme) qui nous ont semblés être les meilleures et les plus appropriées à nos besoins. Dans un premier temps, des calculs par une méthode simple, sans prise en compte des états intermédiaires ont été réalisés. Avec le potentiel WS, les valeurs de ᵟRO obtenues sont fortement dépendantes de paramétrisation. Afin de clarifier cet effet, nous avons étudié en détail la sensibilité aux paramètres du potentiel avec une attention toute particulière apportée au terme isovectoriel et au terme coulombien. Cela a permis de mettre en évidence qu'une telle dépendance est entièrement dominée par le comportement isovectoriel du potentiel. Finalement, cette propriété inattendue a été bien maîtrisée par la procédure d'ajustement proposée. (...) / The conservation of the weak vector current, known as CVC is one of the fundamentalhypothesis of the Standard Model of the electroweak interaction. Nevertheless,the physics background of this hypothesis is nothing more than an analogyto the electromagnetic interaction's theory and the question of its validity remainsopen. The CVC is veri_able in the superallowed Fermi β-decays, 0+ → 0+, T = 1since it predicts that the Ft (≡ corrected ft) value of such low-energy processesmust be nucleus independent. Once the unique Ft value is found, one can immediatelydeduce the vector coupling constant GV , linked to │Vud, the norm of themost important element of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) quark-mixingmatrix. This matrix element plays a crucial role in the test of the unitarity of theCKM matrix, another fundamental hypothesis of the Standard Model.Currently, 14 superallowed transitions ranging from 10C to 74Rb are known experimentally with the precision 0.1% or better. This results in a fact that this studyis now limited by the theoretical corrections, due to the radiative and the isospin symmetry-breaking effects. The aim of this thesis is to re-examine the correction due to mismatch between proton and neutron radial wave functions (ᵟRO) within the framework of shell model. We adopted the method recently developed by Towner and Hardy [1]. This method combines realistic radial wave functions with spectroscopic informations obtained from a large-scale shell-model calculation, thus allowing us to go beyond traditional shell-model approaches. In this work, we considered 13 superallowed transitions, including : 22Mg, 26Al, 26Si, 30S, 34Cl, 34Ar, 38K, 38Ca, 46V, 50Mn, 54Co, 62Ga et 66As. The radial wave functions were determined with a realistic single-particle potential, such as the phenomenological Woods-Saxon (WS) potential or the self-consistent Hartree-Fock (HF) mean field derived from an effective Skyrme force. We selected various parametrizations (2 parametrizations for WS and 3 Skyrme forces for HF) that seem to us to be appropriate for our purposes. First, we performed the calculations with a simple method, without taking into account the intermediate states. The result indicates that ᵟRO obtained from WS potential is strongly parametrization dependent. In order to clarify this effect, we studied profoundly the sensitivity to potential parameters, paying particular attention to the isovector and the Coulomb terms.This study provided evidence that such a dependence is entirely dominated by the isovector part of the potential. However, using our proposed adjustment procedure, this problem appears to be well under control. We also examined the surface terms adopted in the work of Towner and Hardy [1], the result showed that one of these terms (the term Vh(r)) is not compatible with our adjustment procedure. (...)

Dans cette thèse, nous avons développé une approche microscopique de la description des effets de la brisure de symétrie d’isospin dans les noyaux de la couche sd. Le travail est effectué dans le cadre du modèle en couches.Nous avons ajouté à un Hamiltonien nucléaire traditionnel, qui conserve l’isospin, l’interaction de Coulomb et le potentiel de type Yukawa d'échange de mésons pour modéliser les forces nucléaires dépendantes de la charge. La base de données sur les coefficients expérimentaux de l'équation des multiplets de masse isobariques (IMME) a été mise au point dans le cadre de cette thèse et a été utilisée pour ajuster les paramètres de l’hamiltonien. L'hamiltonien ainsi construit fournit une description théorique très précise du mélange d’isospin dans les états nucléaires. Nous montrons la pertinence de cette approche dans deux applications importantes : (i) le calcul des amplitudes d'émission de proton interdites par isospin, essentiels dans le cadre d’astrophysique nucléaire et (ii) le calcul de corrections (dues au mélange d'isospin) aux transitions bêta superpermises du type Fermi, cruciales pour les tests des symétries fondamentales du Modèle Standard de l’interaction électrofaible. / In the thesis, we develop a microscopic approach to describe theisospin-symmetry breaking effects in sd-shell nuclei.The work is performed within the nuclear shell model.A realistic isospin-conserving Hamiltonian is supplementedby a charge-dependent part consisting of the Coulomb interaction andYukawa-type meson exchange potentials to model charge-dependent forces ofnuclear origin. The extended database of the experimental isobaric mass multiplet equation coefficients is compiled during the thesis work and is used in a fit of the Hamiltonian parameters.The constructed Hamiltonian provides an accurate theoretical description ofthe isospin mixing nuclear states. A specific behaviour of the IMME coefficients have been revealed.We present two important applications (i) calculations of isospin-forbiddenproton emission amplitudes, which is often of interest for nuclearastrophysics, and (ii) calculation on corrections to nuclear Fermi beta decay, which is crucial for the tests of fundamental symmetries of the weak interaction.