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Faisabilité des études PQG futures au LHC
Feasibility of future QGP studies at the LHC

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/06/2020

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

WINN Michael
+33 1 69 08 55 86

Résumé/Summary
Le Plasma de quarks et de gluons est un état de la matière sous des conditions extrêmes à des températures de quelques centaines de MeV qui peut être produit dans des collisions ions-lourds au LHC au CERN.
Le stage proposé se compose d'une étude de sensibilité et de faisabilité des mesures de la radiation électromagnétique ou des états de quarkonium, l'hydrogène de la théorie quantique des champs de l'interaction forte (QCD), dont la production est fortement modifiée aux températures finies. La radiation électromagnétique permet de contraindre les propriétés de la matière créée comme la température, le volume et la durée de vie. Les quarkonia nous renseignent sur les propriétés de déconfinement de la transition entre le QGP et la matière ordinaire.
The Quark Gluon Plasma is a state of matter under extreme conditions at temperatures of the few hundreds MeV scale that can be created in heavy-ion collisions at the LHC at CERN.
The proposed internship consists of a sensibility study and a feasibility study of multidifferential measurements of electromagnetic radiation or not yet accessible states of quarkonium, the hydrogen atom of the quantum field theory of the strong interaction (QCD), whose production is strongly modified at finite temperature. Electromagnetic radiation allows to constrain medium properties such as temperature, volume and lifetime. Quarkonia teach us about the deconfinement properties of the QGP transition towards ordinary matter.
Sujet détaillé/Full description
Au grand collisionneur de hadrons (LHC) à Genève, des collisions de noyaux de plomb sont utilisées pour créer un système thermodynamique décrit par la dynamique des fluides sous des conditions extrêmes. La température du système est suffisamment grande pour relâcher les blocs fondamentaux de la matière à une échelle subnucléonique, les quarks et les gluons. Cet état de la matière est nommé le plasma de quarks et de gluons (PQG).
Le laboratoire PQG au sein du département de physique nucléaire du CEA Saclay est fortement impliqué au LHC à tous les niveaux de l'exploration expérimentale du PQG avec l'expérience ALICE, l'expérience dédiée aux ions-lourds au LHC: conception du détecteur, ingénierie de hardware et software et analyses de physique.
Les mesures actuelles de la radiation thermique du PQG sont fortement limitées au LHC à cause des limitations instrumentales et statistiques. Une extraction directe de la température du PQG est seulement possible avec des incertitudes considérables et intégrée sur l'espace de phase.
Similairement, l'interprétation des données quarkonium est fortement limitée à cause du manque des données précises concernant les contributions de feed-down aux états fondamentaux et la modification des états excités. Le feed-down le plus important et complètement inconnu dans les collisions d'ions lourds est le méson élusif Chi_c.
L'objectif de ce stage est une étude de faisabilité de la mesure multi-différentielle de dilepon, l'accès le plus direct à la géométrie et à la température du QGP, ou de la mesure du Chi_c, une mesure très discriminante pour la interprétation des quarkonia en vue du déconfinement. En parallèle, la sensibilité des mesures aux propriétés du milieu va être évaluée en utilisant des calculs analytiques de l'expansion hydrodynamique qui sont une première étape vers des calculs numériques plus détaillés.
Nous comparerons dans cette étude deux set-ups de détecteurs différents, un détecteur à rapidité à l'avant et un détecteur à rapidité centrale planifié pour la construction autour de 2030. Après une estimation initiale de faisabilité, l'étude permettra de renseigner sur les critères de performances des détecteurs à construire.
Le stagiaire se familiarisera avec la physique du PQG, les bases de programmation en c++ et python, si voulu, les bases de la physique de détection, la simulation, l'analyse des données et l'estimation des incertitudes.
Le travail serait basé sur des outils de simulation Monte Carlo rapide.
At the Large Hadron Collider (LHC) at Geneva, collisions of lead nuclei are used to create a thermodynamic system described by fluid dynamics under extreme conditions. The temperature of the short-lived system is sufficiently large in order to release the building blocks of matter at a subnucleonic scale, quarks and gluons. This state of matter is commonly called Quark Gluon Plasma (QGP).
The QGP laboratory inside the department of nuclear physics of CEA Saclay is actively involved at all levels of experimental exploration of the QGP with the ALICE experiment, the dedicated heavy-ion experiment at the LHC: detector conception, hardware and software engineering and physics analysis.
Currently, we are actively discussing future opportunities for the investigation of the QGP with novel probes for new detectors in about 10 years from now.
The present measurements of thermal dilepton radiation from the QGP are strongly limited at the LHC due to instrumentation as well as statistical limitations such that an extraction of a temperature is only feasible with considerable uncertainties and integrated over phase space.
Similarly, the interpretation of quarkonium data is strongly limited by the lack of precise data on feed-down contributions to the well measured ground states and the modification of the excited states. The most important and, in heavy-ion collisions, completely unknown feed-down is the elusive Chi_c meson.
The goal of this internship is to carry a feasibility study either on multidifferential dilepton measurements, the most direct access to the geometry and temperature of the QGP, or on the Chi_c measurement, a very discriminative measurement for the interpretation of quarkonium in view of deconfinement. In parallel, the sensitivity to constrain medium properties with these measurements will be evaluated using analytical calculations of the hydrodynamic expansion which are a first step to more elaborated numerical calculations.
We will compare in this study two different detector set-ups, one at forward rapidity and one at midrapidity planned for construction for around 2030. After some initial feasibility assessment, the study will provide input to define requirements for the detector layout to be built.
The student will familiarise with the physics of the QGP, basic c++ programming and python, if wished, basics in detector physics, simulation, data analysis and uncertainty estimation. The work will be based on fast Monte Carlo simulation tools.
Mots clés/Keywords
Physique des particules; QGP, LHC, Quarkonia, electromagnetic radiation
Particle physics; QGP, LHC, Quarkonia, electromagnetic radiation
Compétences/Skills
Cinématique relativiste, programmation, simulations de MC
Relativistic kinematics, programming, MC simulations
Logiciels
C++
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Déformation des noyaux étudiée par l'excitation coulombienne
Nuclear shapes studied by Coulomb excitation

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

04/06/2020

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

ZIELINSKA Magdalena
+33 1 69 08 74 86

Résumé/Summary
Le stage sera une initiation à la technique expérimentale d’excitation coulombienne utilisée pour étudier les formes de noyaux atomiques. Le stagiaire pourra aborder l'analyse de données expérimentales aussi que les simulations nécessaires pour préparer une expérience sur 100Zr.
The internship will offer an introduction to the experimental technique of Coulomb excitation, used to study shapes of atomic nuclei. The student will be able to analyse data from experiments using this method, as well as contribute to simulations of our future Coulomb excitation study of 100Zr.
Sujet détaillé/Full description
La forme des noyaux est une des propriétés nucléaires fondamentales. Elle est gouvernée à la fois par des effets macroscopiques et microscopiques tels que la structure en couche du noyau. L’excitation coulombienne est la méthode la plus directe pour étudier les formes des noyaux dans leurs états excités. Dans le processus de diffusion de deux noyaux, le champ électromagnétique qui agit entre eux est à l’origine de leur excitation. Si la distance minimale d’approche entre le projectile et la cible est suffisamment grande, l’interaction nucléaire de courte portée peut être négligée et l’excitation peut être décrite en utilisant l’interaction électromagnétique dont toutes les propriétés sont connues. En conséquence, les sections efficaces de population des états excités, mesurées dans les expériences d’excitation coulombienne, peuvent être directement reliées aux moments statiques et dynamiques de la distribution de charge (alors la forme) des noyaux étudiés.

En 2020 nous allons réaliser une expérience d’excitation coulombienne à ANL Argonne (Etats-Unis) pour étudier les formes variées que le noyau du 100Zr peut adopter. Les calculs théoriques prédisent que ce noyau change radicalement sa forme à une faible énergie d'excitation, en allant de prolate (allongée) à oblate (aplatie). Notre expérience permettra de déterminer les moments quadripolaires des états excités dans le 100Zr qui sont directement liés aux formes de ce noyau.

Le stage sera une initiation à la technique expérimentale d’excitation coulombienne. Le stagiaire pourra aborder l'analyse de données expérimentales de notre expérience précédente qui utilisait la même technique expérimentale, aussi que les simulations nécessaires pour préparer l’expérience sur le 100Zr. En fonction du planning, le/la stagiaire pourra participer aux expériences du groupe auprès des différents accélérateurs.
La durée du stage peut être adaptée aux exigences des différentes formations. Le stage pourra se poursuivre en thèse qui portera sur la coexistence de formes dans les noyaux de Zr étudiée par l'excitation coulombienne et décroissance beta.
The shape is one of the fundamental properties of a nucleus. It is governed by a subtle interplay of macroscopic nuclear cohesion and microscopic effects like the shell structure. Coulomb excitation is the most direct method to study nuclear collectivity and shapes. In the scattering of two nuclei, the electromagnetic field that acts between them causes their excitation. The process selectively populates low-lying collective states and is therefore ideally suited to study nuclear collectivity. If the distance of closest approach between the projectile and the target is sufficiently large, the short-range nuclear interaction can be neglected and the excitation process can be precisely described using the well-known electromagnetic interaction. In consequence, the measured cross sections to populate excited states in a Coulomb excitation experiment can be directly related to the static and dynamic moments of the charge distribution of the studied nucleus.

In 2020 we are going to perform a Coulomb excitation experiment at ANL Argonne, USA, to study various shapes that the 100Zr nucleus is predicted to assume. Theoretical calculations predict that this nucleus drastically changes its shape at low excitation energy, going from an elongated (prolate) shape to flattened )oblate). Our experiment will yield static quadrupole moments of excited states in 100Zr, which are directly related to their shapes


The internship will offer an introduction to the experimental technique of Coulomb excitation, used to study shapes of atomic nuclei. The student will be able to analyse data from our experiments using this method, as well as contribute to the simulations of our future Coulomb excitation study of 100Zr.
Depending on the planning of accelerator facilities, the students may also participate in other experiments performed by the group.

The duration of the internship can be adapted to the requirements of the candidate. The internship can be followed by a PhD thesis focused on the evolution of collectivity in Zr nuclei studied via Coulomb excitation and beta decay.
Compétences/Skills
Spectroscopie gamma, reactions nucléaires, excitation coulombienne
Gamma-ray spectroscopy, nuclear reactions, Coulomb excitation
Logiciels
root
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Modélisation et tests d'une source de neutrons basée sur l'accélérateur IPHI
Simulations and tests of a neutron source based on the IPHI accelerator

Spécialité

Neutronique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

13/07/2020

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DROUART Antoine
+33 1 69 08 73 52

Résumé/Summary
Réalisation d'une simulation de la source compacte de neutrons IPHI-neutrons en vue de son optimisation et participation aux tests de l'installation
Realization of a simulation of the compact neutron source IPHI-neutrons for its optimization and participation in the tests of the installation
Sujet détaillé/Full description
Les faisceaux de neutrons sont utilisés pour de nombreuses applications en science des matériaux, en ingénierie, en archéologie ou dans l’étude d’œuvres d’art, domaines pour lesquels ils sont complémentaires à d’autres analyses non-destructives, comme la radiographie X. Ces faisceaux sont traditionnellement fournis par des réacteurs nucléaires de recherche et des sources de spallation. Aujourd’hui une grande partie des réacteurs arrivent en fin de vie Ainsi le réacteur de recherche Orphée a-t-il fermé en octobre 2019. Pour pallier à la diminution du temps de faisceau de neutrons disponible, de nouvelles sources alternatives sont en cours de développement. Ces dernières, appelées CANS (Compact Accelerator Neutron Sources) produisent des neutrons lors de réactions nucléaires de particules chargées sur une cible. Ces nouvelles installations ont l’avantage d’être moins chères et plus souples que les réacteurs nucléaires. Toutefois, compte tenu de leur moindre puissance par rapport aux réacteurs, les flux de neutrons y sont moins importants. C’est pourquoi il est nécessaire d’optimiser au maximum ces installations et donc d’être capable de modéliser leur fonctionnement, depuis la production des neutrons primaires jusqu’à leur utilisation finale. Un CANS est en cours de développement au CEA-Saclay (des tests et des mesures sont en cours) auprès de l’installation IPHI-neutrons avec pour objectif à plus long terme de développer la source SONATE. Aujourd'hui un faisceau de protons de 3 MeV, délivré par l'accélérateur IPHI, est envoyé sur une cible de béryllium solide. Les neutrons produits sont alors ralentis à l'aide d'un bloc de polyéthylène placé autour de la cible, puis sont extraits.
Ce sujet de stage propose de participer à la simulation d’un CANS avec l'outil de simulation Geant4 (C++), dans le cadre du projet de développement IPHI-neutrons et plus spécifiquement en vue de l'optimisation de son modérateur/réflecteur pour maximiser le flux de neutrons au niveau de l'échantillon étudié. Le modérateur permet de réduire l'énergie des neutrons, produits à E>100keV, de manière à obtenir un flux de neutrons thermiques (E~25meV), voire froids (E~3meV). Ces simulations s’appuieront sur des tests et des mesures réalisés sur l’installation IPHI-neutrons, auxquels l'étudiant pourra participer. Des connaissances en neutronique, en physique expérimentales et en programmation (C++) sont un plus.
Ce stage pourra se poursuivre par une thèse déjà financée.

Neutron beams are used for many applications in materials science, engineering, archaeology or the study of works of art, where they complement other non-destructive analyses, such as X-ray imaging. These beams are traditionally supplied by nuclear research reactors and spallation sources. Today a large proportion of reactors are reaching the end of their life cycle. For example, the Orphée research reactor will be closed in October 2019. To compensate for the decrease in the available neutron beam time, new alternative sources are being developed. These, called CANS (Compact Accelerator Neutron Sources), produce neutrons during nuclear reactions of charged particles on a target. These new facilities have the advantage of being cheaper and more flexible than nuclear reactors. However, due to their lower power compared to reactors, neutron fluxes are lower. This is why it is necessary to optimise these facilities as much as possible and therefore to be able to model their operation from the production of primary neutrons to their final use. A CANS is being developed at CEA-Saclay (tests and measurements are underway) at the IPHI-neutrons facility with the longer-term objective of developing the SONATE source. Today a 3 MeV proton beam, delivered by the IPHI accelerator, is sent to a solid beryllium target. The neutrons produced are then slowed down using a polyethylene block placed around the target and extracted.
This internship topic proposes to participate in the simulation of a CANS with the Geant4 simulation tool (C++), as part of the IPHI-neutrons development project and more specifically for the optimization of its moderator/reflector to maximize the neutron flux at the level of the sample studied. The moderator makes it possible to reduce the energy of the neutrons, produced at E>100keV, in order to obtain a thermal (E~25meV) or even cold (E~3meV) neutron flux. These simulations will be based on tests and measurements carried out on the IPHI-neutrons facility, in which the student will be able to participate. Knowledge in neutronics, experimental physics and programming (C++) is a plus.
This internship may be continued with a previously funded thesis.
Mots clés/Keywords
simulations, tests expérimentaux
simulations, experimental tests
Compétences/Skills
- Connaissances de base en physique nucléaire expérimentale - Simulations Monte-Carlo
- Basic knowledge of experimental nuclear physics - Monte-Carlo simulations -
Logiciels
- C++, Python - skill in GEANT4 is a plus

 

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