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.