published_or_final_version / Physics / Doctoral / Doctor of Philosophy

Thesis (M. Phil.)--University of Hong Kong, 1994. / Includes bibliographical references.

Thesis (Ph.D.)--Memorial University of Newfoundland, 1997. / Bibliography: leaves 102-109.

Thesis (Ph.D)--Biomedical Engineering, Georgia Institute of Technology, 2009. / Committee Chair: Gang Bao; Committee Member: Kurt D. Pennell; Committee Member: Mark M. Goodman; Committee Member: Xiaoping P. Hu; Committee Member: Yadong Wang. Part of the SMARTech Electronic Thesis and Dissertation Collection.

Thesis (Ph. D.)--University of Chicago, Dept. of Physics, March 2003. / Includes bibliographical references. Also available on the Internet.

Thesis (Ph. D.)--University of Chicago, Dept. of Physics, August 1999. / Includes bibliographical references. Also available on the Internet.

Este trabalho apresenta um estudo sobre taxas de aniquilação de pósitrons em gases moleculares por meio do cálculo do parâmetro de aniquilação Zeff. O modelo Gribakin-Lee (GL) formula de maneira fenomenológica um mecanismo de captura do pósitron mediado por uma interação dipolar, descrevendo uma contribuição ressonante para Zeff dos modos vibracionais ativos-IR da molécula. Este modelo concorda muito bem quando testado aos halometanos no experimento com feixes de pósitrons, porém, falha quando aplicado ao experimento com pósitrons térmicos. Neste contexto, foram testadas algumas hipóteses para explicar a discordância entre o modelo GL aplicado ao experimento com feixes de pósitrons e ao experimento com pósitrons térmicos. Foi mostrado como o modelo GL pode ser obtido como um caso particular do formalismo dos operadores de projeção de Feshbach. As hipóteses testadas para explicar a discrepância entre os modelos foram: (i) desconsiderar a aproximação de largura zero, para uma convolução mais realista do parâmetro de aniquilação Zeff com a distribuição energética dos pósitrons; (ii) incluir combinações de modos vibracionais e overtones IR-ativos, além de modos com atividade Raman no cálculo de Zeff térmico; (iii) incluir ressonâncias rotacionais no modelo GL; e (iv) propor um modelo simplificado para a densidade eletrônica considerando a sua dependência em relação às coordenadas nucleares da molécula. Verificou-se que considerar larguras finitas na convolução de Zeff térmico e Zeff para o feixe não leva a uma diferença significativa em comparação com o modelo GL, sendo legítimo a utilização da aproximação de largura zero para as ressonâncias vibracionais de Feshbach. Quanto à inclusão de overtones e combinações ativos-IR, verificou-se que apesar deste método ser de extrema importância para ajustar Zeff no caso do experimento com feixes de pósitrons para as moléculas de metanol e etileno, a influência desta contribuição para Zeff térmico é modesta. Moléculas com baixíssimas energias de ligação, como o CH3F, podem apresentar uma possível contribuição rotacional para Zeff, representando quase que a totalidade da contribuição ressonante ao parâmetro de aniquilação. / This work presents a study of the rates of annihilation of positrons in molecular gases by calculating the annihilation parameter Zeff. The Gribakin-Lee (GL) model formulates a dipole-interaction-mediated positron capture mechanism, describing a resonant contribution to Zeff of the active-IR vibrational modes of the molecule. This model agrees very well when tested to the halomethanes in the experiment with positron beams, but fails when applied to the experiment with thermal positrons. In this context, some hypotheses were tested to explain the discrepancy between the GL model applied to the experiment with positron beams and the experiment with thermal positrons. It was shown how the GL model can be obtained as a particular case of the Feshbach projection operators formalism. The hypotheses tested to explain the discrepancy between the models were: (i) to disregard the zero-width approximation for a more realistic convolution of the annihilation parameter Zeff with the energy distribution of the positrons; (ii) to include combinations of IR-active vibrational modes and overtones, in addition to modes with Raman activity in the calculation of thermal Zeff; (iii) to include rotational resonances in the GL model and; (iv) to propose a simplified model for the electron density considering its dependence on the nuclear coordinates of the molecule. It has been found that considering finite widths in the convolution of thermal Zeff and Zeff for the beams does not lead to a significant difference from the GL model, being legitimate the use of the zero width approximation for the vibrational Feshbach resonances. Regarding the inclusion of overtones and combinations IR-active, it was found that although this method is of extreme importance to fit Zeff in the case of the experiment with positron beams for methanol and ethylene, the influence of this contribution to thermal Zeff is modest. Molecules with very low binding energies, such as CH3F, may present a possible rotational contribution to Zeff, representing almost the entire resonant contribution to the annihilation parameter.

La matière noire astronomique est une composante essentielle de l'univers. Depuis sa mise en évidence en 1933 par Fritz Zwicky dans l'amas de Coma, sa présence au sein des galaxies et des amas de galaxies a été largement confirmée. Les observations du satellite Planck permettent de fixer le modèle standard cosmologique selon lequel 85% de la matière de l'univers est constituée de matière noire.La nature de cette dernière demeure cependant aujourd'hui inconnue. De nombreux candidats ont été proposés. L'explication la plus plausible fait état de particules massives et interagissant faiblement avec la matière ordinaire. Ces particules de matière noire, dénommées WIMPs pour Weakly Interactive Massive Particles, sont prédites par les extensions du modèle standard des particules, à l'instar des théories supersymétriques ou des théories à dimensions supplémentaires de type Kaluza-Klein.Les particules de matière noire sont traquées activement dans les accélérateurs de particules et dans les détecteurs souterrains. Une stratégie alternative consiste à rechercher les signatures de leur présence dans la Voie Lactée à travers les rayons cosmiques, messagers de l'univers. En effet, on s'attend à ce que les WIMPs présents dans la galaxie s'annihilent en paires particules-antiparticules. Les mécanismes produisant de l'antimatière étant très rares, les antiparticules cosmiques constituent des messagers privilégiés de la présence de matière noire.Ce mémoire de thèse se concentre sur la recherche indirecte de matière noire à travers les flux de positrons et d'antiprotons cosmiques. L'objet de ce travail est de confronter les modèles théoriques de particules de matière noire aux données expérimentales, afin de mettre éventuellement en évidence les hypothétiques WIMPs et d'en déterminer les propriétés.La première partie dresse le bilan des recherches actuelles de matière noire avant de se consacrer aux modes de production et de propagation des rayons cosmiques.La thèse se concentre ensuite sur l'interprétation de la fraction positronique mesurée par la collaboration AMS-02. La possibilité d'expliquer les données par la présence de matière noire dans la galaxie est étudiée. Une explication alternative impliquant des pulsars proches produisant des positrons est examinée. Une méthode permettant de traiter la propagation des positrons cosmiques de basse énergie est ensuite développée, et les premières contraintes sur les propriétés de la matière noire sont alors dérivées à partir des mesures du flux de positrons à basse énergie.Ce travail se poursuit avec l'étude de la propagation des antiprotons cosmiques. L'influence des effets de propagation à basse énergie sur la détermination des propriétés de la matière noire est explorée. De nouvelles contraintes sont dérivées à partir des données expérimentales de la collaboration PAMELA. Les incertitudes théoriques sur la détermination du fond astrophysique sont évaluées. L'interprétation des mesures préliminaires du rapport antiprotons sur protons par la collaboration AMS-02 et les conséquences pour la matière noire sont finalement discutées. / The astronomical dark matter is ubiquitous in the universe. Since it was discovered in 1933 by Fritz Zwicky in the Coma cluster, its presence in galaxies and in galaxy clusters has been largely confirmed. The standard cosmological model predicts that about 85% of the matter in the universe is composed of dark matter.Its nature, however, remains unknown today. The dark matter particles must still have the properties of being massive and interact weakly with ordinary matter. This type of particles, the WIMPs (Weakly Interactive Massive Particles) are predicted by the extensions theories of the Standard Model of particles physics, like supersymmetrie or extra-dimensional Kaluza-Klein type theories.The dark matter particles are actively hunted in particle accelerators and in direct detection experiments. An alternative strategy is to look for signatures of the dark matter in the Milky Way through cosmic rays -- the universe messengers. Indeed, we expect that WIMPs that are present in the Galaxy annihilate into particle-antiparticle pairs. As antimatter is rare, cosmic antiparticles are privileged messengers of the presence of dark matter.This thesis focuses on indirect dark matter searches through the study of both cosmic ray positron and antiproton fluxes. The purpose of this PhD is to compare the theoretical models of dark matter particles with experimental data, which will allow us to determine their properties.The first part of the thesis provides an overview of current searches on dark matter and then focuses on the production and propagation of cosmic rays.The second part is devoted to the interpretation of the positron fraction measured by the AMS-02 collaboration. The possibility to explain the data by the presence of dark matter in the Galaxy is studied. An alternative explanation involving nearby pulsars is examined. A method to deal with low energy positrons is developed, leading to the first constraints on dark matter properties.Finally, this work focuses on the propagation of cosmic antiprotons. The influence of low energy propagation effects on the antiproton flux is explored. New constraints on WIMPs are derived from the data of the PAMELA collaboration. The theoretical uncertainties on the astrophysical background are assessed. The interpretation of the preliminary data of the AMS-02 collaboration on the antiproton to proton ratio and the implications for dark matter properties are finally discussed.

La spectroscopie du proton issu de la décroissance du neutron donne un accès complémentaire à lambda (rapport des constantes de couplage faibles gA/gV) et permet la recherche de physique au-delà du Modèle Standard. Au sein des expériences, les protons de basse-énergie (E<751.4 eV) sont guidés et sélectionnés grâce à des champs électromagnétiques. La connaissance précise du potentiel électrostatique est primordiale car celui-ci peut biaiser la sélection des protons. Il faut une précision de quelques mV dans les expériences de spectroscopie du proton aSPECT et PERC pour leur permettre d’atteindre la précision de mesure désirée. Comme les conditions expérimentales impactent le champ (effets de température sur la position des électrodes et leur fonction de travail, condition de surface, pièges qui se chargent etc.), il est nécessaire de pouvoir effectuer la mesure du champ électrostatique in-situ. D’autres effets systématiques sont reliés à la détection de protons: résolution du détecteur, homogénéité, probabilité de rétrodiffusion etc. in-situ.Les objectifs de ce projet sont de créer des sources de calibration pour des mesures électrostatiques in-situ et la caractérisation de détecteurs de protons et de construire une chambre d’essai dédiée à la caractérisation et l’optimisation des sources.Pour les mesures électrostatiques, la modération des positrons a été identifiée comme prometteuse. Ce processus crée un faisceau de particules chargées positivement avec une largeur spectrale très faible (FWHM de quelques dizaines de meV) et avec une distribution angulaire bien définie. Un tel faisceau pourrait permettre de comparer, au sein du spectromètre, les différences de potentiels entre des électrodes.Pour la caractérisation des détecteurs, les sources de protons disponibles sur le marché sont difficiles à coupler aux forts champs magnétiques et induisent souvent une détérioration de la qualité du vide dans les expériences, rendant ardue l’utilisation d’un détecteur sous haute tension (entre -15 et -30 kV). La Désorption Stimulée par Electrons (ESD) de l’hydrogène adsorbé sur la surface d’un cristal s’avère posséder les qualités requises: une distribution en énergie piquée et bien définie et une compatibilité avec l’ultravide.Le spectromètre aSPECTino a été créé en tant que système de test. C’est un filtre MAC-E qui utilise des champs EM pour guider et sélectionner les particules chargées de basse énergie avant de les détecter à l’aide d’un détecteur sous haute tension pour accélérer les particules sélectionnées. Dans le spectromètre règne un champ magnétique entre 3.5 et 16 mT qui est suffisant pour confiner les positrons de basse-énergie. Les protons de basse-énergie avec un faible moment radial peuvent aussi être guidés vers le détecteur.CALIPSO, qui signifie CALIbration Positron/proton SOurce, est une source de calibration deux en un : elle peut fournir indépendamment des positrons et des protons et est basée autour d’un cristal de tungstène (110). Pour la source de positrons ce cristal est couplé à une source de positron 22Na. Il sert alors de modérateur et réémet une fraction des positrons primaires issus de la source 22Na avec une faible énergie et une distribution angulaire et spectrale étroite. Dans la configuration proton le même cristal est utilisé en tant que substrat pour l’adsortion d’hydrogène. L’ESD est induit par les électrons émis par une source thermoionique et frappants le cristal de tungstène.Cette thèse présente les processus physiques utilisés pour créer les faisceaux de positrons et de protons de basse-énergie de CALIPSO ainsi que la conception et le développement du spectromètre aSPECTino et de la source CALIPSO. Elle présente les premiers résultats expérimentaux de la caractérisation préliminaire d’aSPECTino et de CALIPSO. Les performances attendues de CALIPSO pour ses deux configurations et pour la sensibilité de comparaison des potentiels d’électrodes sont dérivés et démontrés à l’aide de simulations. / Proton spectroscopy in neutron beta decay gives a complementary access to $lambda$ (ratio of the weak coupling constants gA/gV and enables new searches for physics beyond the Standard Model. In experiment, low-energy protons (E< 751.4 eV) are usually guided and selected using electromagnetic fields. Precise knowledge of the electrostatic potentials is mandatory as it can drastically bias proton selection. For instance, electrostatic potentials have to be known with an accuracy of a few mV in the proton spectroscopy instruments aSPECT and PERC in order to reach their aspired precision. As experimental conditions can directly impact the field (temperature effects on electrode position and work function, surface conditions, charging traps, etc.), it is mandatory that electrostatic measurements are performed in-situ. Further systematic effects are related to proton detection. In addition to prior off-line detector characterization, it is important to verify detector resolution, homogeneity, backscattering probability etc. in-situ. The protons from neutron decay itself are not suitable for this purpose because of their broad energy distribution and insufficient localization.The goals of this project were to create calibration sources for in-situ electrostatic measurements and proton detector characterizations and to build a dedicated test setup to characterize and optimize the sources.For electrostatic measurements, the process of positron moderation was identified as most promising. Positron moderation creates a beam of positively charged particles with a very narrow energy spread (FWHM of a few tens of meV) and with a well-defined emission angular distribution. Such a beam would allow to directly compare, inside the spectrometer, potential differences between different electrodes.For detector characterization, available commercial proton sources are difficult to couple to high magnetic fields and often induce a deterioration of the vacuum quality in experiments, making it complicated to use detection systems at high voltage (-15 to -30 kV). Electron Stimulated Desorption (ESD) of hydrogen adsorbed on a crystal surface was found to provide the desired properties: a sharp and well-defined energy distribution of the created proton beam and compatibility with ultrahigh vacuum.The aSPECTino spectrometer was built as test setup. It is a MAC-E filter which uses electro-magnetic fields to guide and select low-energy charged particles before detecting them in a solid-state detector. The detector is set at high voltage to post-accelerate the selected particles. The resistive coils of the spectrometer produce a magnetic field between 3.5 and 16 mT which is sufficient to confine low-energy positrons. Low-energy protons with a small radial momentum component can also be effectively guided onto the detector.CALIPSO, which stands for CALIbration Positron/proton SOurce, is a two-in-one calibration source: one apparatus is designed to provide, not at the same time, both positrons and protons. Its core is a tungsten (110) crystal. In the case of positrons the tungsten crystal is coupled to a 22Na positron source. The crystal serves as positron moderator and re-emits a fraction of the primary positrons from the Na source, with low energy and a small angular and energy spread. In the proton configuration the same crystal is used as substrate for adsorbed hydrogen. ESD is induced by electrons emitted from a hot cathode and hitting the tungsten crystal.This thesis introduces the physical processes used to create the low-energy positron and proton beams of CALIPSO as well as the design and the development of both the aSPECTino spectrometer and the CALIPSO source. It presents first experimental results of the preliminary characterizations of aSPECTino and CALIPSO. The expected performances of CALIPSO in both configurations and the sensitivity for comparisons of electrode potentials are derived and demonstrated by simulations.

La tomodensitométrie (TDM) est une modalité d'imagerie médicale anatomique extrêmement utile en imagerie moléculaire. Elle permet de localiser de façon précise les sources d'émissions détectées en tomographie d'émission par positrons (TEP) relativement à des repères anatomiques facilement identifiables dans les images à haute résolution de la TDM. La localisation s'effectue par superposition des images issues de la TDM et de la TEP, cette dernière étant susceptible de ne contenir que peu de repères anatomiques selon le radiotraceur utilisé. Classiquement, la TDM et la TEP se jumellent en juxtaposant axialement un scanner de chaque modalité de sorte que le sujet traverse successivement chaque appareil pour effectuer les deux acquisitions indépendamment. Cette translation diminue la qualité de la fusion des images, puisque les organes du sujet peuvent se déplacer légèrement, ce qui rend l'alignement difficile après la reconstruction. De plus, dans un grand nombre d'études en imagerie moléculaire, il s'est avéré que la dose de radiations X transmise au sujet lors de l'acquisition TDM peut influencer les résultats quantitatifs obtenus en TEP, ce qui rend ces études difficilement répétables. Les tomodensitomètres actuels mesurent exclusivement le flux de radiation traversant le sujet en intégrant la charge créée par les photons X lors de leur interaction photoélectrique dans un dispositif de conversion de lumière en électrons. Ce mode d'acquisition dit"d'intégration" filtre bien le bruit à haute fréquence mais accumule toutefois le courant de fuite du photodétecteur. Pour obtenir un rapport signal à bruit (S/B) adéquat en TDM, il est nécessaire d'augmenter la dose de radiations transmise de façon significative. Cette technique ne se prête pas bien à l'imagerie moléculaire où la dose injectée joue un rôle limitatif sur le diagnostic et d'autres solutions doivent être apportées. Un mode de mesure du flux de radiation novateur, qui compte individuellement chacun des photons à l'aide d'une électronique de traitement rapide, constitue une alternative au problème d'intégration et permet d'éliminer partiellement le bruit électronique. La bande passante du préamplificateur doit cependant être élevée pour permettre la détection de plusieurs millions de photons par secondes par canal d'acquisition, afin de réduire le temps total d'acquisition nécessaire. Une telle électronique a été développée à Sherbrooke et jumelée à de puissants processeurs de traitement numériques [i.e. numérique]. Cette chaîne d'acquisition double modalité (TEP/TDM), la chaîne LabPETTM, sert déjà à la mesure de TEP dans un scanner commercial pour petits animaux. Le développement d'algorithmes de traitement numériques adaptés au comptage de photons en tomodensitométrie permettrait à cette chaîne d'effectuer une mesure moins bruitée et nécessitant donc une dose substantiellement réduite. De plus, la technologie LabPETTM pourra, à partir d'un même anneau de détection, effectuer une acquisition bimodale TEP/TDM qui s'avérera moins coûteuse, occupera moins d'espace et facilitera la fusion des images TEP/TDM. Les travaux de ce mémoire ont permis d'obtenir une méthode de traitement numérique capable de supporter le comptage des photons à un débit de plusieurs millions d'événements par secondes par détecteur avec une chaîne LabPETTM. La méthode fonctionne par prédiction du signal et se base sur la réponse impulsionnelle de la chaîne placée en mode de préamplification TDM. Cette méthode ouvre la porte au développement du LabPET/TDM, un appareil bimodal intégré de faible dose.