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

Défis technologiques Instrumentation nucléaire et métrologie des rayonnements ionisants Physique corpusculaire et cosmos Physique nucléaire

Résumé du sujet

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.

Ce sujet très complet permettra au doctorant d’acquérir des compétences à la fois expérimentales, théoriques 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’un socle théorique solide.

Laboratoire

Département Métrologie Instrumentation et Information (LIST)
Laboratoire National Henri Becquerel (LIST)
Laboratoire de Métrologie de l’Activité
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