Étude expérimentale des transitions bêta interdites

La caractérisation expérimentale précise des transitions bêta interdites non-uniques constitue à la fois un sujet essentiel et particulièrement complexe. Très peu d'études fiables existent dans la littérature. La mesure précise du spectre d'énergie continu de ces transitions est rendue difficile par plusieurs facteurs : la forte diffusivité des électrons dans la matière et la non-linéarité des systèmes de détection, la disponibilité limitée des radionucléides et la présence d'impuretés, leurs longues périodes ainsi que la complexité des schémas de désintégration. Sur le plan théorique, les prédictions réalistes sont également ardues car elles nécessitent de coupler, de manière cohérente et relativiste, les modèles atomiques et nucléaires à l'interaction faible. L'amélioration de la compréhension de ces transitions interdites non-uniques est pourtant d'une importance fondamentale en métrologie des rayonnements, notamment pour la définition de l'unité SI du becquerel dans le cas des émetteurs bêta purs. Elle présente également un intérêt majeur pour la médecine nucléaire (microdosimétrie, thérapie interne vectorisée) et pour l'industrie nucléaire (évaluation de la puissance résiduelle des réacteurs, gestion des déchets). Des travaux récents ont en outre souligné leur rôle essentiel dans des problématiques de physique fondamentale, telles que la recherche de matière noire ou la physique des neutrinos de réacteur. Afin de répondre au besoin de mesures de spectres bêta avec une haute précision, un dispositif dédié a été développé au LNE-LNHB pour la mesure de la forme des spectres et l'amélioration des données de désintégration bêta. Dans le cadre de cette thèse, le spectromètre —basé sur une géométrie de détection proche de 4π et utilisant une source ultrafine placée entre deux détecteurs en silicium — a été modernisé. Les détecteurs PIPS ont été remplacés par des Si(Li), la chaîne électronique a été entièrement renouvelée, et un nouveau système d'acquisition numérique installé. La technique de préparation des sources radioactives a également été optimisée. La reconstruction des spectres émis a été réalisée à l'aide d'une nouvelle analyse en coïncidences couplée à une méthode de déconvolution spectrale. Plusieurs méthodes de déconvolution ont été comparées afin d'évaluer les biais possibles, la régularisation de Tikhonov offrant les meilleures performances. La matrice de réponse du système de détection, nécessaire à la déconvolution spectrale, a été obtenue à l'aide d'une simulation Geant4 incluant un modèle géométrique détaillé du dispositif. La qualité de cette simulation a été validée sur les données issues d'une source de ²⁰⁷Bi utilisée pour la calibration. Les spectres bêta du ¹⁴⁷Pm et du ⁹⁰Sr/⁹⁰Y ont ensuite été mesurés et analysés. Les deux spectres ont été ajustés pour extraire l'énergie de la transition et le facteur de forme. Pour le ¹⁴⁷Pm, une Q-value de 226,2(7) keV a été obtenue, légèrement supérieure à la valeur évaluée dans AME2020. Par ailleurs, aucune déviation significative par rapport à une forme permise n'a été observée. Pour le ⁹⁰Sr/⁹⁰Y, l'ajustement a conduit à la détermination d'une Q-value de 547,7(14) keV pour le ⁹⁰Sr et de 2264,9(35) keV pour le ⁹⁰Y. La valeur du ⁹⁰Sr est cohérente avec AME2020, tandis que celle du ⁹⁰Y se situe environ 10 keV en dessous. En raison d'incertitudes de calibration, aucun facteur de forme fiable n'a pu être déterminé pour ces spectres. Enfin, les propriétés de l'état excité 0⁺ du ⁹⁰Zr ont été étudiées par analyse en coïncidences. Sa demi-vie a été mesurée à 53,5(11) ns, en désaccord avec la valeur publiée de 61,3(25) ns, et son énergie à 1754,9(16) keV, également différente de la valeur évaluée ENSDF.