Mesures de précision dans la désintégration beta de l'6He

Precision measurements in the beta decay of 6He

• Auteur / Autrice : Mohamad Kanafani
• Direction : Oscar Naviliat-Cunic, Xavier Fléchard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/11/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique corpusculaire de Caen (1947-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-accrédité : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Nadezda Smirnova
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Muriel Fallot, Alejandro L. Garcia, Pierre Delahaye
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Muriel Fallot, Alejandro L. Garcia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calorimétrie

Période radioactive

Désintégration bêta

Physique au-delà du modèle standard

Mots clés libres

Interactions exotiques

Mesures de précision

Terme d'interférence de Fierz

Désintégration beta

Mesure de la demi-vie

Spectre d'énergie beta

Beyond the Standard Model

Exotic interactions

Fierz interference term

Precision measurements

Half-life measurement

B-STILED

Beta energy spectrum

Résumé

Les mesures de précision dans la désintégration beta jouent un rôle essentiel dans la recherche de nouvelle physique, au-delà du modèle standard (MS), en recherchant des contributions "exotiques" telles que des interactions scalaires et tensorielles au sein de l'interaction faible. L'existence de telles interactions induit des déviations de certaines observables par rapport à leurs prédictions dans le MS. L'étude du spectre en énergie de la particule beta permet de sonder ces interactions. L'objectif de ce travail est d'effectuer la mesure la plus précise du spectre en énergie beta dans la désintégration du 6He, afin d'extraire le terme d'interférence de Fierz bGT avec une précision de l'ordre de 4 *10^{-3}. Ce terme dépend linéairement des constantes de couplage exotiques, permettant ainsi de rechercher ou de contraindre la présence d'interactions tensorielles dans la désintégration nucléaire beta. L'effet instrumental principal observé dans les mesures précédentes du spectre en énergie beta réside dans la perte d'énergie due à la rétrodiffusion des électrons en dehors du volume du détecteur. Une nouvelle technique est utilisée pour s'affranchir de cet effet. Elle consiste en l'utilisation d'un faisceau de ions 6He+ à très basse énergie (25 keV) déposé entre deux détecteurs à scintillation formant un calorimètre 4pi. L'utilisation de cette technique garantit le dépôt de toute l'énergie des particules beta détectées. Une expérience avec cette configuration a été réalisée au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL) en 2021. Cette thèse introduira le contexte général du projet b-STILED, décrira la configuration expérimentale, rendra compte de la mesure la plus précise de la demi-vie de 6He et de la mesure de la forme du spectre d'énergie beta avec tous les défis inhérents à une telle mesure, et présentera nos résultats préliminaires sur l'extraction du terme d'interférence de Fierz à partir de la forme du spectre en énergie beta.

Precision measurements in beta decay play an essential role in the search for new physics beyond the standard model (SM), by probing “exotic” phenomena such as scalar and tensor interactions in the electroweak sector. The existence of such interactions induces deviations on certain observables away from their SM predictions. The study of the full beta-energy spectrum offers a sensitive property to probe these interactions. The goal of this work is to perform the most precise measurement of the beta energy spectrum in 6He decay, in order to extract the Fierz interference term bGT with a precision in the order of 4*10^{-3}. This term depends linearly on exotic coupling constants, allowing to search for or to constrain the presence of tensor interactions in nuclear beta decay. The main instrumental effect observed in previous measurements of the beta energy spectrum resides in the energy loss due to electrons backscattering outside the detector volume. A new technique is used to overcome this effect. It consists of using a very low energy beam of 6He+ ions (25 keV) deposited between two scintillation detectors forming a 4pi calorimeter. The use of this technique ensures the deposition of the entire energy of the detected beta particles. An experiment with this setup was performed at the Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL) in 2021. This thesis will introduce the general context of the b-STILED project, describe the experimental setup, report the most precise measurement of 6He half-life and the measurement of the shape of the betaenergy spectrum with all the challenges that come with such a measurement, and provide preliminary results on the extraction of the Fierz interference term from the beta energy spectrum.