Étude expérimentale et théorique des transitions bêta interdites. Application à la métrologie et à la physique des neutrinos de réacteur

Experimental and theoretical study of forbidden beta transitions. Application to metrology and reactor neutrino physics

• Auteur / Autrice : Gaël Craveiro
• Direction : Xavier Mougeot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique nucléaire
• Date : Inscription en doctorat le 14/11/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'intégration de systèmes et de technologies
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Neutrinos de réacteur

Détecteurs semi-conducteurs

Spectres bêta

Physique des particules

Physique nucléaire

Simulations Monte-Carlo

Beta spectra

Nuclear physics

Semi-conductor detectors

Particle physics

Monte Carlo simulations

Reactor neutrinos

Résumé

La caractérisation expérimentale précise des transitions bêta interdites non uniques est un sujet à la fois important et très ardu et, 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 (micro-dosimétrie, radiothérapie interne vectorisée) et pour l'industrie du nucléaire (calcul de la puissance résiduelle des réacteurs, gestion des déchets nucléaires). De récentes études ont également démontré l'importance de ces transitions bêta pour certaines thématiques de physique fondamentale, comme la recherche de matière noire et la physique des neutrinos de réacteurs. Grâce à un taux de production exceptionnellement élevé, les antineutrinos de réacteur, émis lors de la désintégration bêta-moins des produits de fission du combustible nucléaire, sont devenus une sonde incontournable en physique des particules. Ces dernières décennies, deux anomalies significatives ont été mises en évidence par rapport aux prédictions : un déficit systématique en flux selon la distance au réacteur, et un excès d'antineutrinos dans le spectre en énergie vers 6 MeV. Les analyses expérimentales les plus récentes remettent en question la validité des prédictions dites par sommation, basées sur un ensemble de données nucléaires, de simulations de réacteurs et de calculs théoriques des transitions bêta. Fruit du travail d'une thèse récente entre l'IRFU/DPhP et le LIST/LNHB, ces prédictions ont été améliorées, établissant pour la première fois une modélisation complètes des incertitudes. Les transitions bêta interdites non uniques ont été identifiées comme l'une des composantes majeures d'incertitude car elles restent modélisées de manière approchée, sans tenir compte de la structure nucléaire des noyaux en jeu dont elles dépendent fortement. L'objectif principal de la thèse proposée ici est d'améliorer la modélisation des transitions interdites non uniques et d'établir les incertitudes associées. Pour ce faire, plusieurs transitions bêta pour des noyaux dont la structure est proche de celle des produits de fission seront mesurées très précisément au LIST/LNHB. Ces mesures nécessiteront une amélioration d'un dispositif existant (détecteurs, acquisition numérique, coïncidences, sources radioactives), des simulations Monte Carlo très précises, une déconvolution spectrale pour éliminer les déformations de la détection (diffusion, bremsstrahlung), et le développement d'une méthodologie robuste pour établir les incertitudes de mesure incluant les corrélations. Les résultats seront comparés à des prédictions théoriques précises développées au LIST/LNHB, incluant une structure nucléaire réaliste, ce qui permettra d'affiner les hypothèses du formalisme utilisé. Les transitions bêta interdites non uniques contribuant majoritairement au spectre antineutrino total seront alors déterminées selon cette nouvelle modélisation et utilisées pour améliorer les prédictions par sommation des spectres antineutrinos de réacteur grâce aux outils et aux modèles développés à l'IRFU/DPhP.

The precise experimental characterization of non-unique forbidden beta transitions is both an important and very difficult subject and, indeed, very few reliable studies exist in the literature. Indeed, the continuous energy spectrum of these transitions is difficult to measure precisely for various reasons: high diffusivity of electrons in matter and the non-linearity of the detection system; availability of radionuclides and the presence of impurities; long half-lives and the complexity of the decay schemes; etc. Realistic theoretical predictions are also difficult because of the necessity to couple accurate models of both atomic and nuclear structures through the weak interaction, in a fully relativistic formalism. However, improving our knowledge of the non-unique forbidden beta transitions is essential in radioactivity metrology to define the becquerel SI unit in the case of pure beta emitters. It can have a large impact in nuclear medicine (micro-dosimetry, internal vectorised radiotherapy) and for the nuclear industry (calculation of the residual power of reactors, nuclear waste management). Recent studies have also shown the importance of these beta transitions for some fundamental physics topics, such as the search for dark matter and reactor neutrino physics. Reactor antineutrinos emitted during the beta minus decay of nuclear fuel fission products, due to their exceptionally high production rate, have become a key probe in particle physics. Over the last decades, two significant anomalies have been highlighted with respect to predictions: a systematic deficit in flux with distance from the reactor, and an excess of antineutrinos in the energy spectrum around 6 MeV. The most recent experimental analyses question the validity of the so-called summation predictions, based on a set of nuclear data, reactor simulations and theoretical calculations of beta transitions. As a result of a recent thesis between IRFU/DPhP and LIST/LNHB, these predictions have been improved, establishing for the first time a complete modelling of uncertainties. Non-unique forbidden beta transitions have been identified as one of the major uncertainty components because of their approximate modelling that does not account for the nuclear structure of the nuclei involved, on which they strongly depend. The main objective of the thesis proposed is to improve the modelling of forbidden transitions and to establish the associated uncertainties. To do this, several beta transitions for nuclei with structures similar to those of fission products will be measured very precisely at LIST/LNHB. These measurements will require an improvement of an existing apparatus (detectors, numerical acquisition, coincidences, radioactive sources), very accurate Monte Carlo simulations, spectral deconvolution to eliminate detection distortions (scattering, bremsstrahlung), and the development of a robust methodology to establish the measurement uncertainties including correlations. The results will be compared to accurate theoretical predictions developed at LIST/LNHB, including a realistic nuclear structure component, which will allow the assumptions of the formalism used to be refined. The forbidden beta transitions contributing the most to the total antineutrino spectrum will then be determined according to this new modelling and will be used to improve the summation predictions of reactor antineutrino spectra with the tools and models developed at IRFU/DPhP.