Défense de thèse de doctorat en Sciences physiques - Coraline STASSER

Conception d’une expérience bas-bruit pour la détection de transitions neutron-neutron caché et recherche de contraintes sur la proximité d’une brane cachée dans le bulk

Jury

• Prof. Philippe LAMBIN (département de physique, UNamur), président
• Prof. Guy TERWAGNE (département de physique, UNamur), promoteur et secrétaire
• Dr Michael SARRAZIN (institut UTINAM - CNRS/INSU - UMR 6213, Université de Bourgogne-Franche-Comté, France), co-promoteur
  
• Dr Stéphanie ROCCIA (laboratoire de physique subatomique et de cosmologie, Université Grenoble-Alpes, France)
• Prof. Patrick PETER (Institut d’astrophysique de Paris, Sorbonne Université, France)
• Prof. Dominique LAMBERT (département sciences, philosophies et sociétés, UNamur)

Résumé

Dans de nombreux travaux théoriques, notre univers visible est une 3-brane (un défaut topologique à 3 dimensions spatiales) au sein d’un espace-temps à plus de 4 dimensions, et coexisterait avec d’autres 3- branes cachées. Il est crucial de contraindre expérimentalement ces modèles au cœur de nombreuses approches au-delà du modèle standard des particules ou du modèle cosmologique ΛCDM. Cette thèse vise à mener à bien le projet MURMUR, qui fait l’objet d’une collaboration franco-belge, et qui a pour but de développer et de réaliser une expérience dite de neutrons passe-murailles, et d’explorer les conséquences théoriques des résultats expérimentaux obtenus. Les 3-branes cachées peuvent être contraintes dans la mesure où l’échange de matière entre mondes branaires est possible avec une probabilité d’échange p. Un neutron n peut se transformer en un neutron caché n₀, lorsqu’il est diffusé par un noyau, avec une section efficace σ(n → n)∼ σ_E (n → n₀ ) p, où σ_E est la section efficace élastique classique. Les neutrons cachés pourraient donc être générés dans le modérateur d’un réacteur nucléaire (dans notre cas le BR2 au SCK·CEN à Mol), où un flux de neutrons élevé subit de nombreuses collisions élastiques. Situés dans un autre monde branaire, les neutrons cachés interagiraient très faiblement avec la matière et s’échapperaient librement du réacteur en évitant le blindage. Par ailleurs, le processus d’échange inverse permettrait de les détecter près du réacteur - avec une efficacité proportionnelle à p - grâce à un matériau capable de régénérer les neutrons cachés en neutrons visibles. L’essentiel du projet consistera donc à développer un détecteur de neutrons à très faible bruit qui permettrait de détecter la réapparition de neutrons pour en contraindre la physique associée. À cette fin, seront nécessaires : la conception d’un blindage et d’une chaîne de détection de neutrons, ainsi que les simulations numériques Monte Carlo requises. De plus, des calculs fondamentaux seront réalisés pour contraindre expérimentalement les scénarios théoriques existants dans la littérature via une approche phénoménologique dont le formalisme mathématique est de la théorie classique du champ.

 

Abstract

In many theoretical frameworks our visible world is a 3-brane (a 3-dimensional topological defect) embedded in a multidimensional bulk, possibly coexisting with hidden braneworlds. It is then a major concern to constrain these scenarios, which are at the heart of many scenarios of physics beyond the standard model of particle physics or beyond the cosmological ΛCDM model. In the context of the MURMUR collaboration, the present PhD project will lead to develop and to carry out a neutron passing-through-wall experiment, and to explore the theoretical consequences of the experimental results. Indeed, hidden 3-branes can be constrained as matter exchange between braneworlds must occur with a swapping probability p. A neutron n can convert into a hidden neutron n₀ when scattered by a nucleus with cross section σ(n → n)∼ σ_E (n → n₀ ) p where σ_E is the usual elastic cross section. Hidden neutrons could, therefore, be generated in the moderator medium of a nuclear research reactor (here the BR2 at the SCK·CEN in Mol), where a high flux of neutrons undergoes many elastic collisions. Being located in another braneworld, these hidden neutrons would interact very weakly with matter and freely escape the reactor out of the biological shielding. However, the reverse swapping process would permit to detect them close to the reactor – with efficiency also proportional to p – thanks to a material able to regenerate hidden neutrons into visible ones. The main part of the present project will consist to develop the low-noise neutron detector, which would allow detecting reappearing neutrons to constrain p and the physics behind. For that purpose, the design of a convenient shielding and of the low-noise neutron detection chain, as well as the required numerical simulations will be necessary. In addition, fundamental theoretical investigations will be considered to constrain existing braneworld scenarios thanks to experimental data

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