Nouvelles contraintes expérimentales sur les constantes de couplage de l’interaction faible par la mesure en coïncidence de schémas de désintégration complexes // New experimental constraints on the weak interaction coupling constants by coincidence measu

La caractérisation expérimentale précise des transitions bêta interdites non-uniques, représentant environ un tiers de toutes les transitions bêta connues, est un sujet à la fois important et très ardu. De fait, très peu d’études fiables existent dans la littérature. En effet, le spectre en énergie continu de ces transitions est difficile à mesurer précisément pour diverses raisons qui se cumulent les unes aux autres : grande diffusivité des électrons dans la matière et non-linéarité du système de détection, indisponibilité de certains radionucléides et présence d’impuretés, longues périodes de désintégration et complexité des schémas, etc. Des prédictions théoriques réalistes sont tout aussi difficiles car il est nécessaire de coupler des modélisations précises des structures atomiques et nucléaires des radionucléides à travers l’interaction faible, dans un même formalisme complètement relativiste. Pourtant, améliorer notre connaissance des transitions bêta interdites non-uniques est essentiel en métrologie de la radioactivité pour définir l’unité SI du becquerel dans le cas des émetteurs bêta purs. Cela peut avoir un impact fort en médecine nucléaire, pour l’industrie du nucléaire, et pour certaines thématiques de physique fondamentale, comme la recherche de matière noire et la physique des neutrinos de réacteurs.
Notre étude récente de la transition deuxième interdite non-unique du 99Tc, à la fois théorique et expérimentale, a mis en évidence que les transitions interdites non-uniques peuvent être particulièrement sensibles à la valeur effective des constantes de couplage de l’interaction faible. Ces dernières interviennent comme facteurs multiplicatifs des éléments de matrice nucléaires. L’utilisation de valeurs effectives permet de compenser les approximations employées dans les modèles de structure, telles que des corrélations simplifiées entre les nucléons dans l’espace de valence ou l’absence d’excitation du cœur. Cependant, leur ajustement ne peut se faire que par comparaison avec un spectre expérimental de grande précision. La prédictibilité des calculs théoriques, même les plus précis actuellement disponibles, est ainsi fortement remise en cause. S’il a déjà été démontré que des valeurs universelles ne peuvent être fixées, des valeurs pour chaque type de transition, ou pour un modèle nucléaire spécifique, sont possibles. Le but de ce sujet de thèse est donc d’établir de nouvelles contraintes expérimentales sur les constantes de couplage de l’interaction faible en mesurant précisément les spectres en énergie de transitions bêta. À terme, cela permettra d’établir des valeurs effectives moyennes robustes de ces constantes de couplage et d’obtenir un vrai pouvoir prédictif pour les calculs théoriques de désintégration bêta.
La plupart des transitions d’intérêt pour contraindre les constantes de couplage ont des énergies supérieures à 1 MeV et se situent au sein de schémas de désintégration complexes, avec émission de multiples photons gamma. Dans cette situation, la meilleure stratégie consiste en une détection bêta-gamma en coïncidence. Les techniques usuelles de détection en physique nucléaire sont appropriées mais nécessitent d’être extrêmement bien implémentées et contrôlées. Le doctorant pourra s’appuyer sur les résultats obtenus lors de deux thèses précédentes. Pour minimiser le phénomène d’auto-absorption des électrons dans la source, il devra améliorer une technique de préparation de sources radioactives ultra-minces développée au LNHB pour l’adapter aux activités importantes qui seront nécessaires. Il devra implémenter un nouveau dispositif de mesure, dans une chambre à vide dédiée, comprenant une détection en coïncidence de deux détecteurs silicium et deux détecteurs gamma. Plusieurs études seront nécessaires, mécaniques et par simulation Monte Carlo, pour optimiser la configuration géométrique en regard des différentes contraintes. L’optimisation de la chaîne d’électronique, l’acquisition, le traitement du signal, l’analyse des données, la déconvolution spectrale et l’élaboration d’un bilan d’incertitudes complet et robuste seront autant de sujets abordés. Ces développements instrumentaux permettront de mesurer avec une grande précision les spectres du 36Cl, du 59Fe, du 87Rb, du 141Ce, ou encore du 170Tm.
Ce sujet très complet permettra au doctorant d’acquérir des compétences instrumentales et d’analyse qui lui ouvriront de nombreuses opportunités de carrière. Le candidat devra posséder de bonnes connaissances en instrumentation nucléaire, en programmation et en simulations Monte Carlo, ainsi qu’une connaissance raisonnable des désintégrations nucléaires.
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Accurate experimental knowledge of forbidden non-unique beta transitions, which constitute about one third of all known beta transitions, is an important and very difficult subject. Only a few reliable studies exist in the literature. Indeed, the continuous energy spectrum of these transitions is difficult to measure precisely for various reasons that cumulate: high diffusivity of electrons in matter and non-linearity of the detection system, unavailability of some radionuclides and presence of impurities, long half-lives and complex decay schemes, etc. Accurate theoretical predictions are equally difficult because of the necessity of coupling different models for the atomic, the nuclear and the weak interaction parts in the same, full-relativistic formalism. However, improving our knowledge of forbidden non-unique beta transitions is essential in radioactivity metrology to define the becquerel SI unit in the case of pure beta emitters. This can have a strong impact in nuclear medicine, for the nuclear industry, and for some studies in fundamental physics such as dark matter detection and neutrino physics.
Our recent study, both theoretical and experimental, of the second forbidden non-unique transition in 99Tc decay has highlighted that forbidden non-unique transitions can be particularly sensitive to the effective values of the weak interaction coupling constants. The latter act as multiplicative factors of the nuclear matrix elements. The use of effective values compensates for the approximations used in the nuclear structure models, such as simplified correlations between the nucleons in the valence space, or the absence of core excitation. However, they can only be adjusted by comparing with a high-precision experimental spectrum. The predictability of the theoretical calculations, even the most precise currently available, is thus strongly questioned. While it has already been demonstrated that universal values cannot be fixed, effective values for each type of transition, or for a specific nuclear model, are possible. The aim of this thesis is therefore to establish new experimental constraints on the weak interaction coupling constants by precisely measuring the energy spectra of beta transitions. Ultimately, establishing robust average effective values of these coupling constants will be possible, and a real predictive power for theoretical calculations of beta decay will be obtained.
Most of the transitions of interest for constraining the coupling constants have energies greater than 1 MeV, occur in complex decay schemes and are associated to the emission of multiple gamma photons. In this situation, the best strategy consists in beta-gamma detection in coincidence. The usual detection techniques in nuclear physics are appropriate but they must be extremely well implemented and controlled. The doctoral student will rely on the results obtained in two previous theses. To minimize self-absorption of the electrons in the source, they will have to adapt a preparation technique of ultra-thin radioactive sources developed at LNHB to the important activities that will be required. He will have to implement a new apparatus, in a dedicated vacuum chamber, including a coincidence detection of two silicon detectors and two gamma detectors. Several studies will be necessary, mechanical and by Monte Carlo simulation, to optimize the geometric configuration with regard to the different constraints. The optimization of the electronics, acquisition, signal processing, data analysis, spectral deconvolution and the development of a complete and robust uncertainty budget will all be topics covered. These instrumental developments will make possible the measurement with great precision of the spectra from 36Cl, 59Fe, 87Rb, 141Ce, or 170Tm decays. This very comprehensive subject will allow the doctoral student to acquire instrumental and analytical skills that will open up many career opportunities. The candidate should have good knowledge of nuclear instrumentation, programming and Monte Carlo simulations, as well as a reasonable knowledge of nuclear disintegrations.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département d’Instrumentation Numérique
Service : Service Instrumentation et Métrologie des Rayonnements Ionisants
Laboratoire : Laboratoire National Henri Becquerel pour la Métrologie de l'Activité
Date de début souhaitée : 01-10-2025
Ecole doctorale : PHENIICS (PHENIICS)
Directeur de thèse : MOUGEOT Xavier
Organisme : CEA
Laboratoire : DRT/DIN//LNHB-MA
URL : http://www.lnhb.fr/

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département d’Instrumentation Numérique
Service : Service Instrumentation et Métrologie des Rayonnements Ionisants

Physique nucléaire expérimentale