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Mesures de haute précision de reculs nucléaires à l’échelle de 100 eV pour les détecteurs cryogéniques

SL-DRF-24-0274

Domaine de recherche : Physique des particules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique Nucléaire (DPhN)

Laboratoire etudes et applications des reactions nucleaires (LEARN) (LEARN)

Saclay

Contact :

Loïc THULLIEZ

David LHUILLIER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024

Contact :

Loïc THULLIEZ
CEA - DRF/IRFU/DPhN/LEARN

0169087453

Directeur de thèse :

David LHUILLIER
CEA - DRF/IRFU/DPHN/LEARN

01 69 08 94 97

La méthode CRAB vise à calibrer de manière absolue les détecteurs cryogéniques utilisés dans les expériences de recherche de matière noire et de diffusion cohérente de neutrinos. Ces expériences ont en commun le fait que le signal recherché est un recul nucléaire de très basse énergie (quelque 100 eV) nécessitant des détecteurs avec une résolution de quelques eV et un seuil de O(10eV). Or jusqu’à présent il était très difficile de générer des reculs nucléaires d’énergie connue pour caractériser la réponse de ces détecteurs. L’idée principale de la méthode CRAB, détaillée ici [1,2], est d’induire une réaction de capture avec des neutrons thermiques (énergie de 25 meV) sur les noyaux constituant le détecteur cryogénique. Le noyau composé résultant a une énergie d’excitation bien connue, l’énergie de séparation d’un neutron, comprise entre 5 et 8 MeV selon les isotopes. Dans le cas où il se désexcite en émettant qu’un seul photon gamma, le noyau va reculer avec une énergie qui est aussi parfaitement connue car donnée par la cinématique à deux corps. Un pic de calibration, dans la gamme recherchée de quelques 100 eV, apparaît alors dans le spectre en énergie du détecteur cryogénique. Une première mesure réalisée, en 2022, avec un détecteur cryogénique en CaWO4 de l’expérience NUCLEUS (expérience de diffusion cohérente de neutrinos portée par TU-Munich et dans laquelle le CEA est fortement impliquée) a permis de valider la méthode [3].

Le travail de cette thèse s’inscrit dans la deuxième phase de ce projet qui consiste à réaliser des mesures de haute précision avec un faisceau de neutrons thermiques du réacteur TRIGA-Mark-II à Vienne (TU-Wien, Autriche). Deux approches complémentaires seront menées de front pour atteindre une haute précision : 1/ la configuration du détecteur cryogénique sera optimisée pour une très bonne résolution en énergie, 2/ de larges cristaux de BaF2 et de BGO seront placés autour du cryostat pour une détection en coïncidence du recul nucléaire dans le détecteur cryogénique et du rayon gamma qui a induit ce recul. Cette méthode de coïncidence réduira significativement le bruit de fond et permettra d’étendre la méthode CRAB à un plus large domaine d’énergie et aux matériaux constitutifs de la plupart des détecteurs cryogéniques. Nous attendons de ces mesures une caractérisation unique de la réponse des détecteurs cryogéniques, dans un domaine d’intérêt pour la recherche de la matière noire légère et la diffusion cohérente de neutrinos. La haute précision permettra également l’ouverture d’une fenêtre de sensibilité à des effets fins couplant de la physique nucléaire (temps de désexcitation du noyau) et de la physique du solide (temps de recul du noyau dans la matière, création de défauts cristallins lors du recul d’un noyau) [4].

L’étudiant(e) sera fortement impliqué dans tous les aspects de l’expérience : la simulation, l’installation sur site, l’analyse et l’interprétation des résultats obtenus.
MODÉLISATION DES RÉACTIONS ANTI-IONS LÉGERS SUR NOYAU ATOMIQUE

SL-DRF-24-0347

Domaine de recherche : Physique nucléaire
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique Nucléaire (DPhN)

Laboratoire etudes et applications des reactions nucleaires (LEARN) (LEARN)

Saclay

Contact :

Jean-Christophe DAVID

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024

Contact :

Jean-Christophe DAVID
CEA - DRF/IRFU/DPhN/LEARN

0169087277

Directeur de thèse :

Jean-Christophe DAVID
CEA - DRF/IRFU/DPhN/LEARN

0169087277

Labo : https://irfu.cea.fr/dphn/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=2105

Les réactions anti-(p, n, d, t, 3He, 4He)-noyau sont à la fois riches d'enseignements et compliquées à étudier. Elles nécessitent, en plus de la connaissance des produits de la réaction antinucléon-nucléon, la prise en compte du milieu nucléaire, avec notamment les interactions dans l'état final.
Les réac)ons antiproton-noyau sont/seront utilisées/étudiées notamment à l’anneau décélérateur d’antiprotons (AD) du Cern et à l'installa)on FAIR en Allemagne pour comprendre le comportement de l’antima)ère. Les réactions avec des anti-ions légers (dbar, 3He-bar, par exemple) sont d’un intérêt plus récent, avec notamment l'expérience GAPS (General AntiParticle Spectrometer) qui vise à mesurer les flux de ces particules dans le rayonnement cosmique. L’idée est de mettre en évidence la matière noire, dont ces particules seraient des produits de décroissance, et dont la quantité mesurée pourraient ressortir « facilement » du bruit de fond cosmique.
Récemment les réactions antiproton-noyau ont été ajoutées au code de réactions nucléaires INCL (IntraNuclear Cascade Liège) développé au CEA (Irfu/DPhN) et celui est en cours d’implanta)on dans le code de transport Geant4. L’objectif de la thèse proposée est d’inclure maintenant les réactions anti-(d, t, 3He, 4He)-noyau dans le code INCL.
Propagation d'incertitudes dans un code de transport Monte-Carlo

SL-DRF-24-0367

Domaine de recherche : Physique nucléaire
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique Nucléaire (DPhN)

Laboratoire etudes et applications des reactions nucleaires (LEARN) (LEARN)

Saclay

Contact :

Jean-Christophe DAVID

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024

Contact :

Jean-Christophe DAVID
CEA - DRF/IRFU/DPhN/LEARN

0169087277

Directeur de thèse :

Jean-Christophe DAVID
CEA - DRF/IRFU/DPhN/LEARN

0169087277

Labo : https://irfu.cea.fr/dphn/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=2105

La modélisation des réactions nucléaires fait l'objet d'améliorations constantes depuis plusieurs décennies. C'est notamment le cas de notre code de cascade nucléaire INCL. Un projet ANR a été financé pour les quatre prochaines années (2024-2027) afin de travailler sur la question de l'estimation des incertitudes et des erreurs. Comme ce code est implanté dans le code de transport de particules Geant4, la prochaine étape est de propager ces incertitudes de INCL à Geant4. Une étude récente sur la propagation des incertitudes, appelée Transport Monte Carlo (TMC), a été réalisée. Cependant, cette étude ne traite que de la propagation des incertitudes liées aux paramètres du modèle, sans tenir compte des biais du modèle (liés aux hypothèses) et de leurs incertitudes, qui sont tous deux en dehors du modèle physique. Par conséquent, la propagation des biais et de leurs incertitudes, qui proviennent des modèles de collision Monte Carlo, est un territoire inexploré. L'objectif du projet de thèse proposé est donc de développer des méthodes pour ce type de propagation et d'étudier le fonctionnement et les caractéristiques de ces méthodes dans des scénarios schématiques. L'implémentation complète des méthodes développées dans un code de transport, tel que GEANT4, ne fait pas partie du champ d'application principal de la thèse, mais cela pourrait être possible si le temps le permet.

• Physique des particules

• Physique nucléaire

 

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