Métrologie rayon X pour l'astrophysique et la physique fondamentale

X-ray metrology for astrophysical and fundamental physics applications

• Auteur / Autrice : Louis Duval
• Direction : Paul Indelicato, Martino Trassinelli, Nancy Paul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/11/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Rezeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Palmeri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Pajot, Marie-Christine Lépy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ions multichargés

Problème à N corps

Électrodynamique quantique

Atomes hadroniques

Spectroscopie des rayons X

Mots clés libres

Spectroscopie Rayon X

Ions très chargés

Atomes exotiques

Plasmas

Astrophysique

X ray spectroscopy

Highly charged ions

Exotic atoms

Plasmas

Astrophysic

Résumé

Dans cette thèse, je présente des mesures d'énergies de transition dans des ions lourds très chargés, dans le domaine des rayons X, pour des atomes allant du soufre à l'uranium. Ces mesures permettent de tester l'Électrodynamique Quantique (QED), dans des états liés, et le problème à n-corps relativiste. La première mesure a été réalisée sur des transitions intracouche 2p-2s dans l'uranium à deux, trois et quatre électrons, sur l'anneau de stockage ESR du complexe d'accélérateurs GSI/FAIR à Darmstadt avec deux spectromètres à cristal courbe. Elle a permis de tester les effets de QED jusqu'au second ordre et les effets de corrélation grâce à la précision obtenue de 37 parties par million (ppm), dix fois meilleure que celle de la mesure précédente en excellent accord avec la théorie. Le second ensemble de mesures a été réalisé sur des transitions 2p - 1s dans des ions de soufre et d'argon à 5 électrons (boronoïdes), avec un trou dans la couche 1s. Ces mesures permettent de tester les calculs de problème à n-corps relativiste, et en particulier les effets de corrélation électroniques. Ces mesures, sans références externes, ont été effectuées à l'aide d'un spectromètre à double cristal plan, ce qui permet d'atteindre une précision inégalée de 4 ppm. Pour analyser ces spectres complexes, il a fallu développer de nouvelles techniques Bayésiennes afin de pouvoir déterminer le nombre, la largeur et l'énergie des transitions présentes dans les raies observées. Nous avons ainsi pu déterminer l'énergie et la largeur de plusieurs transitions non-résolues, couramment observée par les satellites X. La mesure précise de ces transitions de mieux comprendre les spectres astrophysiques.

In this thesis, I present measurements of transition energies in highly charged heavy ions, in the X-ray range, for atoms ranging from sulfur to uranium. These measurements allow us to test Quantum Electrodynamics (QED), in bound states, and the relativistic n-body problem. The first measurement was carried out on 2p-2s intrashell transitions in uranium with two, three and four electrons, on the ESR storage ring of the GSI/FAIR accelerator complex in Darmstadt with two curved crystal spectrometers. This enabled to test QED effects up to second order and correlation effects, thanks to the precision obtained of 37 parts per million (ppm), ten times better than that of the previous measurement and in excellent agreement with theory. The second set of measurements was carried out on 2p - 1s transitions in 5-electron sulfur and argon ions (boronoids), with a hole in the 1s shell. These measurements make it possible to test relativistic n-body problem calculations, and in particular electronic correlation effects. These measurements, without external references, were carried out using a double planar crystal spectrometer, achieving an unrivalled accuracy of 4 ppm, in good agreement with the theory. To analyze these complex spectra, we had to develop new Bayesian techniques to determine the number, width and energy of the transitions present in the observed lines. We have thus been able to determine the energy and width of several unresolved transitions commonly observed by X-ray satellites. Precise measurement of these transitions will enable us to better understand astrophysical spectra.