TAGS measurements for neutrino physics and applications

En la actualidad un gran número de temas de interés en Física Nuclear continúan planteando interrogantes fundamentales. Una de las fuentes de información más esclarecedoras es el proceso de la desintegración beta. Gracias al estudio experimental de este fenómeno en núcleos alejados de la estabilidad, es posible extraer valiosa información sobre estructura nuclear. En esa línea, esta tesis se centra en la determinación de las intensidades beta que pueblan los estados excitados del núcleo hijo en la desintegración beta de núcleos exóticos de gran interés. Para ello se ha utilizado la técnica de Espectroscopía gamma de Absorción Total (TAGS, por sus siglas en inglés), basada en el uso de grandes cristales centelleadores para detectar con gran eficiencia la cascada gamma completa que se emite tras la desintegración beta. Esta técnica requiere un proceso de deconvolución con la función de respuesta del detector para extraer las intensidades beta. Los resultados obtenidos con esta técnica permiten evitar un error sistemático conocido como Pandemonio, que afecta a las medidas con detectores de germanio que convencionalmente se llevan a cabo para obtener las intensidades beta. Las medidas de este trabajo han sido realizadas en la instalación IGISOL-IV (Jyväskylä, Finlandia), donde haces radioactivos de los núcleos de interés se produjeron por fisión inducida (y reacción (p,n) en uno de los casos) usando protones procedentes de uno de los ciclotrones disponibles en este importante laboratorio de Física Nuclear. La doble trampa de Penning JYFLTRAP fue usada para purificar estos haces antes de llevarlos hasta el montaje experimental. Dicho montaje consistió en el nuevo espectrómetro de absorción total DTAS, un nuevo detector plástico para partículas beta y un detector de germanio. Uno de los objetivos de este trabajo fue el montaje y caracterización de los detectores usados en estos experimentos, especialmente de DTAS, un instrumento diseñado por el grupo de Valencia para el proyecto FAIR. Un sistema de estabilización de la ganancia de los tubos fotomultiplicadores de DTAS fue implementado en este trabajo, y se desarrollaron algoritmos para aplicarlo a la hora de reconstruir la energía total depositada en el espectrómetro. La caracterización de los detectores se llevó a cabo comparando medidas de fuentes radioactivas de calibración con simulaciones Monte Carlo realizadas con el código de simulación GEANT4. Se ha obtenido un excelente nivel de reproducción de las medidas experimentales que ha supuesto un paso decisivo para poder calcular la función de respuesta del detector y llevar a cabo la deconvolución de las medidas para obtener las intensidades beta. En esta tesis se han medido y analizado diez casos de interés. Nueve de ellos son desintegraciones de alta relevancia por tratarse de fragmentos de fisión que contribuyen de forma destacada en el calor residual generado en un reactor nuclear y en el espectro de antineutrinos emitido por los reactores. Por este motivo, la Agencia Internacional de la Energía Atómica (IAEA por sus siglas en inglés) considera la medida de estas desintegraciones con la técnica TAGS como altamente prioritaria para mejorar las bases de datos nucleares que se utilizan en los cálculos que tratan de reproducir tanto el calor residual como el espectro de antineutrinos de los reactores nucleares. En los nueve casos estudiados se ha identificado intensidad beta que no había sido detectada hasta ahora, y en dos de los casos las distribuciones de intensidades beta han sido obtenidas por vez primera. El impacto de estos nuevos datos, libres del efecto Pandemonio, en los cálculos mencionados resulta reseñable. Además, estos análisis han permitido extraer valiosa información sobre estructura nuclear, en relación con el proceso de emisión retardada de neutrones y con la forma de los núcleos. Cabe señalar también la importancia y complejidad de varias de estas medidas por tratarse de estados isoméricos muy próximos en energía. Finalmente, el caso restante incluido en este trabajo resulta de interés por ser una desintegración beta de importancia para mejorar los cálculos teóricos del proceso de desintegración doble beta. El análisis TAGS de este caso confirma las intensidades beta previamente conocidas, garantizando datos libres del efecto Pandemonio. Nowadays, many exciting topics in nuclear physics need information from beta-decay studies to expand our knowledge on nuclear structure, nuclear astrophysics and reactor technology. The precious beta-intensity distributions have been shown to be affected by the Pandemonium systematic error when they are derived from measurements with germanium detectors in high resolution experiments, and the Total Absorption gamma-ray Spectroscopy (TAGS) technique is an effective way to overcome this problem. A deconvolution process with the response function of the detector is needed in this technique to extract the beta-intensities. In this work, the new segmented Decay Total Absorption gamma-ray Spectrometer (DTAS), designed for FAIR, is presented. The first measurements with this detector have been performed at IGISOL (Jyväskylä, Finland) where protons from one of the available cyclotrons were used to produce the nuclei of interest by proton induced fission and a (p,n) reaction in one of the cases. The JYFLTRAP double Penning trap system was used to purify the beams before being implanted in the set-up. A detailed characterization by means of Monte Carlo simulations of the full set-up employed in the experiments will be presented, including new beta-detectors. This characterization is based on the comparison of calibration sources with simulations performed with the GEANT4 code. A nice reproduction of the sources has been achieved, which consists a key step for the deconvolution process. A gain stabilization system has been used to correct possible changes in the gain of the photomultiplier tubes of DTAS. Algorithms to take these corrections into account and reconstruct the total sum of the energy released in the spectrometer have been developed. In these first experiments with DTAS an ambitious physics programme was addressed, covering two challenges in neutrino physics: the understanding of the shape of the antineutrino spectrum emitted by a nuclear reactor, and the description of the double beta-decay process. This last topic is covered by improving the data on a single beta decay that can help to constrain the parameters used in double-beta decay calculations. In addition, important reactor decay heat calculations, closely related with antineutrino spectrum calculations, have been improved by obtaining results free from the effects of Pandemonium for fission fragments that are required with high priority, as pointed out by the International Atomic Energy Agency. Some of the target decays of this work are also of paramount relevance from the point of view of nuclear structure, concerning the beta-delayed neutron emission process and the shape of the parent nucleus. Moreover, some of the decays included in this work are interesting since they are isomeric states very close in energy, and the measurement of their beta-decay was challenging. The analyses showed a remarkable amount of beta-intensity that was not detected before in the majority of the cases. Furthermore, the beta-intensity distributions of two fission fragments have been obtained for the very first time. Finally, the impact of these TAGS data, free from Pandemonium, on summation calculations for decay heat and the reactor antineutrino spectrum have been shown to be relevant. In the case of the decay of interest for double-beta decay calculations, the results obtained with TAGS confirmed the previous beta intensities.