L'origine de l'atmosphère terrestre demeure énigmatique. De plus, de nombreux évènements tels que les contributions de matière extraterrestre, le dégazage de la Terre solide ou encore les fuites de l'atmosphère vers l'espace ont modifié la composition de l'atmosphère au cours du temps. Ces travaux de thèse visaient à analyser précisément la composition de l'atmosphère ancienne piégée dans des roches âgées de plusieurs milliards d'années afin de mieux contraindre son origine et son évolution. L'analyse des isotopes du xénon, un gaz rare, démontre qu'une fraction de l'atmosphère terrestre ne peut avoir été apportée par les météorites mais plutôt par des corps riches en eau et en éléments volatils tels que les comètes. De plus, la composition isotopique de l'atmosphère a évolué au cours du temps jusqu'à il y a deux milliards d'années environ. Cette évolution du fractionnement est peut-être concomitante à celle l'oxygénation progressive de l'atmosphère qui a permis le développement de la vie telle que nous la connaissons aujourd'hui. / The origin of the Earth's atmosphere remains poorly understood. Its elemental and isotopic compositions have been shaped by numerous events in the history of our planet, such as extraterrestrial contributions, mantle degassing, atmospheric escape etc. This study aimed to analyze the composition of atmospheric gases trapped in several billion years old samples in order to better understand the origin and evolution of the Earth's atmosphere. Isotope analyses of xenon, a noble gas, demonstrate that part of the atmosphere was not brought by meteorites but might have been delivered to the Earth's atmosphere by volatile-rich bodies such as comets. Furthermore, the isotopic composition of atmospheric Xe evolved over geological ages and can be linked to the progressive oxidation of the atmosphere that permitted the emergence and development of modern forms of life.

Les cryptophanes constituent une famille de conteneurs moléculaires, caractérisés par leur cavité interne lipophile. La capacité des cryptophanes à encapsuler du xénon hyperpolarisé a ouvert une grande opportunité de développer des traceurs d’IRM moléculaires à base de 129-Xe. Un grand nombre de biocapteurs 129-Xe-cryptophane ont été développés pour cibler divers événements biologiques. Bien que ce concept soit accrocheur, de nombreux défis ont été rencontrés, en particulier dans l’élaboration de dérivés de cryptophane solubles dans l’eau et fonctionnalisables facilement. Cette thèse vise donc à développer une nouvelle approche simple pour synthétiser des capteurs de cryptophane solubles dans l’eau. Ces cages sont basées sur des dérivés de cryptophane [223] portant une fonction acide carboxylique centrale permettant de greffer de manière sélective une unité de détection et sur six précurseurs solubles dans l’eau sur les deux rebords du CTB. Le greffage de différents bras de détection a été réalisé en une seule étape, suivie d’une simple déprotection pour offrir les capteurs de cryptophane solubles dans l’eau. Ces capteurs ont été caractérisés par spectroscopie RMN 129-Xe pour évaluer leurs propriétés de liaison et leur réactivité. Un autre aspect de ces dérivés est leur capacité à subir un phénomène d’self-encapsulation dépendant de solvants, caractérisé par l’inclusion de la fonctionnalité centrale greffée sur le lieur propélendioxy vers la cavité interne des cryptophanes en l’absence d’invité. L’investigation de «l’auto-encapsulation» a été évaluée par spectroscopie RMN 1H et IR qui a révélé certains signaux caractéristiques correspondant à ce processus. L'effet sur les propriétés chiroptiques globales a également été étudié par spectroscopie polarimétrique, VCD et ECD. / Cryptophanes are a family of molecular containers, characterized by their lipophilic internal cavity. The ability of cryptophanes to encapsulate hyperpolarized xenon has opened a great opportunity to develop highly sensitive 129-Xe-based MRI molecular tracers. A large number of 129-Xe-cryptophane biosensors have been developed for targeting various biological events. Although this concept is catchy, many challenges have been encountered, specifically in the elaboration of water soluble and easy functionalizable cryptophane derivatives. The work presented in this thesis aims at developing a new straightforward approach to synthesize water soluble cryptophane sensors. These cages are based on cryptophane-[223] derivatives that bear a central carboxylic acid function to selectively graft a sensing unit, and six water soluble precursors on the cryptophanes’ rims. Using these platforms, three different water soluble sensors have been elaborated. These sensors have been characterized by 129Xe NMR spectroscopy to assess their binding properties and responsiveness. An additional aspect of these derivatives is their ability to undergo a solvent-dependent “self-encapsulation” phenomenon. This is characterized by the inclusion of the central functionality grafted on the propelendioxy linker towards the inner cavity of cryptophanes. This phenomenon has been clearly proved by 1H NMR and IR spectroscopy. The effect on the overall chiroptical properties was also investigated by polarimetry, VCD and ECD spectroscopy.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第22627号 / 理博第4616号 / 新制||理||1663(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)准教授 市川 温子, 教授 中家 剛, 准教授 窪 秀利 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

An overwhelming majority of matter in the Universe is dark matter, a substance unlike anything we know. Detecting dark matter particles requires ruling out observed phenomena caused by known particles. This thesis advances efforts toward the detection of dark matter using one of the most sensitive particle detection technologies: the dual-phase liquid xenon time projection chamber. Specifically, data from the XENON1T Experiment, located in Italy, and the Purdue small-scale ASTERiX detector are analyzed. A background of Lead-214 beta decay events can be mitigated by tracing the radioactive Radon-222 decay chain in XENON1T. However, a preliminary reduction of background has a high cost to exposure. Research on several topics was conducted with Purdue undergraduates, including a search for dark matter particles up to the Planck Mass, characterizing backgrounds due to muons, and searching for Boron-8 solar neutrino signals. XENON1T single-scatter dark matter limits were extended to a particle mass of 10¹⁸GeV/c². The ASTERiX detector was modified to characterize a significant background to the smallest detectable energy signatures: single- and few-electron ionization signals. Infrared light was determined to be ineffective at reducing this background, and their rates were observed to decrease inversely with time since an energetic interaction according to a power law. The rates of single- and few- electron backgrounds increase linearly with increased applied extraction fields and increased depth of the initial interaction in the detector. These results indicate that these backgrounds originate at the liquid-gas interface of dual-phase detectors. In exploring a single-photon threshold for initial scintillation signals, a previously unconsidered background of large dark count signals in the photosensors became apparent. The high background of small ionization signals and large dark count signals deterred a search for Boron-8 solar neutrino interactions in XENON1T. These studies are vital to mitigating backgrounds and improving the sensitivity of liquid xenon time projection chambers to new physical phenomena.

Dans le cadre du Traité d’Interdiction Complète des Essais nucléaires, le Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) développe des systèmes de détection des essais nucléaires en se basant sur la mesure des isotopes radioactifs du xénon, tels que le Système de Prélèvement d’Air en Ligne avec l’Analyse des radioXénons. L’adsorption est un procédé adapté pour ce type d’applications mais nécessite l’utilisation de matériaux adsorbants très performants pour piéger et séparer les gaz rares d’intérêt présents dans l’air à l’état de traces. Ce travail doctoral a tout d’abord permis de poser un cadre méthodologique permettant de comparer les matériaux adsorbants disponibles pour séparer le xénon aux faibles pressions partielles et de sélectionner la zéolithe Ag@ZSM-5. De nombreuses techniques ont été employées dont la microscopie électronique à transmission et la simulation ab initio afin d’étudier le vieillissement de ce matériau en conditions procédés, lié aux étapes d’élution en température et aux conditions environnementales, et d’approfondir la connaissance de cet adsorbant. L’influence du support zéolithique sur la formation et la stabilité des particules métalliques, ainsi que l’interaction entre les nanoparticules et le xénon ont en effet été investigués. Finalement la zéolithe Ag@ZSM-5 a été mise en application dans un pilote de laboratoire automatisé. Ce procédé compact de séparation des gaz rares basé uniquement sur des étapes d’adsorption présente des performances encourageantes et permet d’envisager l’utilisation de ce matériau dans des applications variées, de la dépollution de l’air en radon jusqu’à la production industrielle de xénon / In the context of the Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty, the Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) is developing systems to detect nuclear tests based on the xenon radioactive isotopes measurement, such as the Système de Prélèvement d’Air en Ligne avec l’Analyse des radioXénons. Adsorption is a suitable process for this type of application but requires the use of high performance adsorbent materials to trap and separate the rare gases of interest present in the air in trace amounts.In the first instance, this PhD thesis has set a methodological framework to compare the adsorbent materials available to separate xenon at low partial pressures and to select the Ag@ZSM-5 zeolite. Numerous techniques ranging from transmission electron microscopy to ab initio calculation have been employed to study the aging of this material under process conditions, related to the thermal elution steps and environmental conditions. The knowledge of the material has been deepened by studying the influence of zeolite support on the formation and stability of metal particles, as well as the interaction between nanoparticles and xenon. Finally, the Ag@ZSM-5 zeolite was applied in an automated pilot. This compact process for the separation of noble gases based only on adsorption steps shows encouraging performances and allow considering the use of this material in various applications, ranging from decontamination of air polluted by radon to the industrial production of xenon

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This thesis describes research I conducted within the XENON program of dark matter searches. In particular, I focus on contributions I made to the development of a novel system for purifying liquid xenon employed in XENONnT, to the reconstruction and modeling of electronic and nuclear recoil signals by fitting calibration data, and in the employment of these tools to world-leading physics searches for spin-dependent DM-nucleus scattering and coherent neutrino-nucleus scattering from boron-8 solar neutrinos.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第24073号 / 理博第4840号 / 新制||理||1692(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 中家 剛, 教授 永江 知文, 准教授 WENDELL Roger / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM