Caractérisation de HOPE un piège magnéto-gravitationnel à neutrons ultra-froids destiné à la mesure du temps de vie du neutron sur SUN2 une source superthermale de neutrons ultra-froids

Characterisation of HOPE a magneto-gravitational trap for ultra-cold neutron for neutron lifetime measurement on SUN2 a superthermal ultra-cold neutron source

• Auteur / Autrice : Loris Babin
• Direction : Dominique Rebreyend, Oliver Zimmer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 28/10/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Max von Laue-Paul Langevin (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Derome
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Roccia
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philipp Schmidt-Wellenburg, Gilles Ban

Mots clés

Mots clés contrôlés

Désintégration bêta

Instruments de mesure

Neutrons ultrafroids

Mots clés libres

Neutrons ultra-Froids

Ucn

Temps de vie du neutron

Piége magnétique

Source superthermale

Magnéto-Gravitationnel

Ultracold neutrons

Ucn

Neutron lifetime

Magnetic trap

Superthermal source

Magneto-Gravitational

Résumé

La décroissance du neutron offre de nombreuses observables utiles en physique nucléaire et des particules. L'une d’elles, le temps de vie du neutron (880.2(10) s d’après le PDG2018), est crucial dans estimation de la production d’hélium-4 lors de la nucléosynthèse primordiale. En complètement elle permet de tester la cohérence du modèle standard à travers l’unitarité de la matrice CKM. Durant les dernières décennies sa mesure a soulevé des notables difficultés et des inconsistances entre les différentes méthodes. Les projets permettant des mesures fiables du temps de vie du neutron sont donc particulièrement d’actualité.Dans ce travail nous pressentons HOPE, un piège magnéto-gravitationnel à neutrons ultra-froids (UCN) couplé à SUN2 une source d’UCN superthermale qui vise une mesure du temps de vie du neutron de précision sous 1 s. Le choix du piégeage magnétique supprime une des sources principales d’erreur systématique liée aux interactions avec les parois du piège. Cependant il est nécessaire de s’assurer que les neutrons sur-critiques pouvant encore rentrer en collision avec le mur sont suffisamment bien caractérisés pour introduire une erreur suffisamment faible et connue. L’évolution de tels neutrons est difficile à prédire, nous avons donc développé des simulations pour analyser les trajectoires possibles dans le piège. L’analyse de nombreuses trajectoires nous donne des informations à propos de l’évolution du spectre durant le remplissage, le piégeage, ainsi que sur les effets dus au chauffage par vibrations et la composition spectrale lors de la vidange du piège.Ces simulations accompagnes les premiers résultats obtenus à partir du couplage de HOPE et SUN2 à l’Institut Laue-Langevin. Nos mesures ont montré qu’en utilisant la configuration verticale étudier dans ce travail une précision statistique de 0.75 s par cycle de réacteur est possible, bien qu’il existe une source d’erreur systématique nécessitant un analyse précautionneuse pour produire une mesure non biaisé. Néanmoins nous avons pu dans deux configurations différentes mesurer des temps de stockage de 889(19) s et 882(17) s en accord avec l’actuelle valeur moyenne mondiale retenu. Les erreurs étant largement majoré par la statistique l’erreur systématique reste indéterminée. Bien qu’il ne le soit pas encore prouvé, des indications expérimentales, supportées par les simulations, indiquent que le chauffage des neutrons induit par les vibrations mécaniques pourrait limiter la précision atteignable dans la configuration actuelle. Une version horizontale simplifiée sans cryostat (et donc sans les fortes vibrations entraînées par la tête froide utilisée actuellement) est décrite à la fin de cette thèse. En plus de supprimer les vibrations cette configuration devrait, d’après les simulations, tripler le nombre de neutrons piégés.

Neutron decay offers a plethora of observables which are useful for applications in nuclear and particle physics and tests of the standard model of the latter. One of them, the neutron lifetime (880.2(10) s in the PDG 2018), is a crucial input for estimation of the helium-4 content of the universe resulting from the primordial nucleosynthesis. In addition, it serves for a sensitive test of the consistency of the standard model through the CKM matrix unitarity. During the past decades, its measurement has revealed notorious difficulties and still unresolved inconsistencies between different methods. Projects for reliable measurements of the neutron lifetime are therefore of high interest.In this work we present the project HOPE, an ultra-cold neutron (UCN) magneto-gravitational trap coupled to a dedicated superthermal UCN source and aiming for a neutron lifetime measurement with accuracy below 1 s. The choice of magnetic trapping removes a major systematic uncertainty due to neutron interactions with material walls. However, magnetic trapping techniques have to ensure that marginally trapped neutrons that still are able to hit those walls are sufficiently well characterized not to induce significant systematic errors. Since the evolution of those neutrons in the trap is difficult to predict, we have developed simulations that analysed neutron trajectories existing in the trap. Analysis of many neutron histories provided information about the modification of the neutron spectrum during the filling of the trap, heating of neutrons due to vibrations, and the spectral composition of the emptying.These simulations accompany first experimental results obtained from the coupling of HOPE and the prototype helium-4 superthermal UCN source SUN2 set up at Institut Laue-Langevin. Our measurements have shown that, using the vertical implementation studied in this thesis, a measurement of a statistical precision of 0.75 s per reactor cycle is within reach, although sources of systematic uncertainty still need to be carefully analysed to provide an unbiased measurement. Still, we measured in two different procedures storage time constants of 889(19) s and 882(17) s in agreement with the current world-average value of the neutron lifetime, the error being due to counting statistics and the systematic uncertainty staying undetermined. Though not yet proven there are experimental indications, supported by simulations, that neutron heating from mechanical vibrations might limit the accuracy attainable with the current setup. A simplified new setup, with the trap implemented in horizontal orientation without cryostat (thus avoiding strong vibrations of the mono-stage GM cold head used in the current setup) is described at the end of this thesis. According to simulations such a configuration increases counting statistics by a factor 3, while strongly improving on a major systematic uncertainty by spectral heating due to vibrations.