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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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Correction des imperfections de détection d'événements double-bêta dans une TPC de Xénon pour l'expérience PandaX-III
Correction of the detection flaws of double-beta events in a gaseous Xenon TPC for the PandaX-III experiment

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

11/05/2020

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

NEYRET Damien
+33 1 69 08 75 52

Résumé/Summary
L'expérience PandaX-III recherche des désintégrations double-beta sans neutrino dans une TPC en Xénon gazeux à 10 bars. Cette TPC utilise des détecteurs gazeux Micromegas Microbulk à grande radiopureté et très bonne résolution en énergie. Le stagiaire travaillera à la reconstruction des événements double-bêta et des bruits de fond gamma, et la prise en compte des imperfections des détecteurs pour la reconnaissance double-bêta/gamma et la détermination de la cinématique des événements.
The PandaX-III experiment search for neutrinoless double-beta decays in an high pressure (10 bar) gaseous Xenon TPC. This TPC features Micromegas Microbulk gaseous detectors with an high radiopurity and a very good energy resolution. The student will work on the reconstruction of the double-beta and gamma background events, and will study the impact of the detector flaws on the double-beta/gamma recognition and the determination of the event kinematics.
Sujet détaillé/Full description
Ettore Majorana a montré que le neutrino, seule particule de matière de charge électrique nulle, pourrait être identique à son antiparticule. Si tel est le cas, alors un phénomène naturel nouveau devrait apparaître pour quelques rares isotopes : la désintégration double-bêta sans émission de neutrinos. La violation de l’invariance du nombre leptonique qui en résulte, et qui est interdite par le Modèle Standard serait une découverte majeure. La collaboration PandaX-III propose de mesurer la cinématique d'événements de désintégration double-bêta de noyaux de Xénon 136 dans un grand volume de Xénon gazeux à 10 bars, en les distinguant des différents bruits de fonds (double-bêta classique, contamination d'autres noyaux radioactifs, rayons cosmiques). Cette expérience prendra place dans le laboratoire souterrain de JinPing (province du Sichuan, Chine) à partir de fin 2020 avec un premier module de 145 kg de Xénon, pour arriver à une masse de 1 tonne avec 5 modules à partir de 2022.

Afin de mesurer les événements de désintégration, le volume de Xénon gazeux formera une chambre à projection temporelle (Time Projection Chamber, TPC) où les particules issues de la désintégration ionisent le gaz. La détection des électrons d'ionisation, qui dérivent sous l'effet d'un champ électrique, se fait par des détecteurs gazeux à micro-structure Micromegas indépendamment suivant les deux directions X et Y. La coordonnée Z qui indique la distance au plan de détection est mesurée par le temps de dérive des électrons. Les événements de désintégration double-bêta présentent une topologie relativement différente de celle des événements de bruits de fond gamma, de même énergie, issus de noyaux radioactifs. Ceci peut permettre de fortement réduire, d'un facteur jusqu'à 100, l'influence du bruit de fond gamma dans la mesure, en reconstruisant la trajectoire des électrons pour reconnaître leur topologie.

Plusieurs contraintes s'appliquent sur les détecteurs Micromegas de la TPC: Ils doivent atteindre une très bonne résolution en énergie, moins de 3% et jusqu'à 1%, afin de différentier les événements double-bêta sans production de neutrinos (2,5 MeV) des double-bêta classique qui ont une énergie inférieure. Les études sur les prototypes de ces détecteurs ont montré que ceux-ci étaient assez fragiles, avec une probabilité assez forte de présenter une ou plusieurs voies non-fonctionnelles, ainsi que de possibles inhomogénéités de leurs performances. Il est donc important d'étudier l'impact de ces imperfections sur la sensibilité de la future expérience, en particulier sur les performances de réjection du bruit de fond gamma, et sur la résolution de la mesure de l'énergie des événements qui est un paramètre important pour la mise en évidence du pic des double-bêta sans émission de neutrinos. Des algorithmes de correction pourront aussi être développés afin de corriger une partie de l'effet de ces voies manquantes.

Au sein des équipes de l’IRFU l'étudiant participera aux études sur la prise en compte des imperfection des détecteurs (voies manquantes, inhomogénéité des performances, etc...), et contribuera à développer les méthodes de calibration et de correction des données nécessaires pour compenser ces imperfections. Ce travail se basera sur des simulations Monte-Carlo Geant4 du dispositif expérimental de l'expérience, ainsi que sur des données d'une petite TPC prototype de test mise en œuvre au laboratoire de Shanghai. Les résultats pourront être présentés pendant les meetings bihebdomadaires de la collaboration PandaX-III.

Le travail proposé aura lieu au Département de Physique Nucléaire (DPhN) à l’Irfu au CEA de Saclay. La collaboration PandaX-III comprend 60 physiciens de 12 laboratoires en Chine, aux États-Unis, en Espagne et en France. Les physiciens du groupe PandaX-III du DPhN ont participé à l'analyse des données plusieurs expériences de physique nucléaire et de physique hadronique ces dernières années et ont une grande expérience des problématiques de reconstruction de traces dans des détecteurs gazeux. Ils ont aussi développé différents détecteurs Micromegas pour les expériences Compass et n_TOF.

Durée du stage prévue: 4 à 6 mois
Formation demandée: M2, le stage pourra déboucher sur une thèse sur l'expérience PandaX-III
Mots clés/Keywords
TPC, chambre à projection temporelle, détection gazeuse, détecteurs Micromegas, analyse de données, reconstruction d'événements
TPC, time projection chamber, gaseous detection, Micromegas detectors, data analysis, event reconstruction
Compétences/Skills
Analyses de données, analyse statistique, détecteurs gazeux Micromegas, simulation Monte-Carlo Geant4
Data analysis, statistics, Micromegas gaseous detectors, Monte-Carlo simulation with Geant4
Logiciels
C++, ROOT, GEANT4, environnement REST
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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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Etrangeté dans le nucléon; hadronisation des quarks en kaons à COMPASS
Strangeness in nucleon; quark hadronisation into kaons at COMPASS

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

06/05/2020

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

KUNNE Fabienne
+33 1 69 08 43 45

Résumé/Summary
Le stage consiste en une analyse de données de physique obtenues récemment par l’expérience COMPASS au CERN. Le but est l’étude de l’hadronization des quarks étranges en kaons, qui jour un rôle important dans l’extraction de la contribution du spin des quarks étranges au spin du nucléon.
We propose an internship focused on physics data analysis to extract the multiplicities of kaons produced in a recent experiment at CERN. The goal is to study the hadronization of strange quarks into kaons, which plays a role in the extraction of the spin contribution of strange quarks to nucleon spin.
Sujet détaillé/Full description
L'expérience COMPASS au CERN a entrepris récemment un important effort pour déterminer la contribution des quarks et des gluons au spin du nucléon. Dans le cadre de la chromodynamique quantique perturbative (pQCD), les observables de spin font intervenir une convolution d'un produit de distribution en impulsion des quarks (PDF) par une fonction de fragmentation (FF). Cette dernière décrit comment le parton se recombine dans l'état final pour former un pion ou un kaon détectable. Il est crucial de bien déterminer les FF pour pouvoir extraire avec précision les PDF polarisées à partir des asymétries de spin mesurées, lesquelles PDF contribuent directement au spin du nucléon.

Grâce à l'énergie du faisceau de muons au CERN (160-200 GeV), COMPASS permet d'accéder au domaine cinématique où la contribution des quarks étranges est mal connue. De plus, l'utilisation du détecteur à effet Cerenkov (RICH) permet de bien identifier les kaons, particules indispensables pour accéder au secteur des quarks étranges.

Le travail portera sur l'analyse des données collectées par COMPASS en 2016 et 2017 sur une cible de proton pure (hydrogène). La confrontation des résultats obtenus, en terme de multiplicité de hadrons, avec les calculs théoriques permettra d'extraire les fonctions de fragmentations des quarks u,d et s. Le stagiaire se familiarisera avec les outils d'analyse de données, essentiellement statistiques, les techniques d'identification de particules, la simulation de l'appareillage par les techniques Monte-Carlo et l'analyse statistique de grandes quantités de données.
An important experimental effort has been dedicated to the determination of the quark and gluon contributions to the nucleon spin at the COMPASS experiment at CERN. In the framework of perturbative quantum chromodynamics (pQCD), the measured spin observables involve a convolution of quark distribution functions (PDF) with fragmentation functions (FF). The later describe how the parton that has been struck in the deep inelastic scattering (DIS) process recombines into detectable hadrons in the final state (pions, kaons or protons). The goal is
to determine with precision the FFs.

Thanks to the energy of the muon beam at CERN, COMPASS accesses the relevant kinematic range where the strange sea quark contribution is poorly known up to now. With the use of its Ring Imaging Cerenkov detector, COMPASS can identify clearly kaons, the relevant particles to access the strange quark sector.

The intern will focus on the analysis of data collected by COMPASS in 2016 and 2017 on a pure proton target (hydrogen). The student will learn and successfully use the fundamentals of the experimental physics: simulation of the experimental equipment by modern Monte-Carlo techniques, statistical analysis of big samples of data, comparison with theoretical calculations. Finally, the student will use existing software to extract the quark (u,d,s) fragmentation functions from the measured hadron multiplicities.
Mots clés/Keywords
physique hadronique, quarks, hadron, nucléon, quark étrange
hadronic physics, quarks, hadron, nucleon, strange quark
Compétences/Skills
Méthodes fondamentales de la physique expérimentale: Simulation d'expérience par technique moderne de Monte-Carlo, traitement et analyse statistique de grandes quantités de données, comparaison à des calculs théoriques.
Fundamentals methods of experimental physics: simulation of the experimental equipment by modern Monte-Carlo techniques, statistical analysis of big samples of data, comparison with theoretical calculations.
Logiciels
C++, Geant, environnement ROOT,
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Etude de détection gazeuse d'électrons d'ionisation dans une chambre à projection temporelle pour l'expérience PandaX-III
Study on gaseous detection of ionization electrons in a time projection chamber for the PandaX-III experiment

Spécialité

Instrumentation

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

14/05/2020

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

NEYRET Damien
+33 1 69 08 75 52

Résumé/Summary
L'expérience PandaX-III recherche des désintégrations double-beta sans neutrino dans une TPC en Xénon gazeux à 10 bars. Cette TPC utilise des détecteurs gazeux Micromegas Microbulk à grande radiopureté et très bonne résolution en énergie. Le stagiaire travaillera à l'étude des performances de ces détecteurs en comparaison avec d'autres type de Micromegas. Il travaillera aussi sur un prototype de TPC sans amplification gazeuse utilisant une électronique IDeF-X à très bas bruit qui pourrait atteindre de meilleures performances que les Micromegas.
The PandaX-III experiment search for neutrinoless double-beta decays in an high pressure (10 bar) gaseous Xenon TPC. This TPC features Micromegas Microbulk gaseous detectors with an high radiopurity and a very good energy resolution. The student will study the performance of these detectors, with a comparison with other kinds of Micromegas detectors. He/she will also work on a small TPC prototype without gaseous amplification using a very low noise IDeF-X read-out electronics, which could reach better performances compared to Micromegas detectors.
Sujet détaillé/Full description
Ettore Majorana a montré que le neutrino, seule particule de matière de charge électrique nulle, pourrait être identique à son antiparticule. Si tel est le cas, alors un phénomène naturel nouveau devrait apparaître pour quelques rares isotopes : la désintégration double-beta sans émission de neutrinos. La violation de l’invariance du nombre leptonique qui en résulte, et qui est interdite par le Modèle Standard serait une découverte majeure. La collaboration PandaX-III propose de mesurer la cinématique d'événements de désintégration double-beta de noyaux de Xénon 136 dans un grand volume de Xénon gazeux à 10 bars, en les distinguant des différents bruits de fonds (double-beta classique, contamination d'autres noyaux radioactifs, rayons cosmiques). Cette expérience prendra place dans le laboratoire souterrain de JinPing (province du Sichuan, Chine) à partir de fin 2020 avec un premier module de 145 kg de Xénon, pour arriver à une masse de 1 tonne avec 5 modules à partir de 2022.

Afin de mesurer les événements de désintégration, le volume de Xénon gazeux formera une chambre à projection temporelle (Time Projection Chamber, TPC) où les particules issues de la désintégration ionisent le gaz. La détection des électrons d'ionisation, qui dérivent sous l'effet d'un champ électrique, se fait par des détecteurs gazeux à micro-structure Micromegas indépendamment suivant les deux directions X et Y. La coordonnée Z qui indique la distance au plan de détection est mesurée par le temps de dérive des électrons. Les événements de désintégration double-beta présentent une topologie relativement différente de celle des événements de bruits de fond gamma, de même énergie, issus de noyaux radioactifs. Ceci peut permettre de fortement réduire, d'un facteur jusqu'à 100, l'influence du bruit de fond gamma dans la mesure, en reconstruisant la trajectoire des électrons pour reconnaître leur topologie.

Plusieurs contraintes s'appliquent sur les détecteurs Micromegas de la TPC: Ils doivent atteindre une très bonne résolution en énergie, moins de 3% et jusqu'à 1%, afin de différentier les événements double-beta sans production de neutrinos (2,5 MeV) des double-beta classique qui ont une énergie inférieure. Ils doivent aussi être constitués de matériaux de très faible radioactivité, afin de limiter la contribution des bruits de fonds gamma. Le choix de la collaboration PandaX-III s'est porté sur les Micromegas Microbulk, qui sont constitués d'une feuille de polyimide et de cuivre, matériaux de bonne radiopureté et d'excellente résolution en énergie. Ces détecteurs sont cependant délicats à mettre en œuvre. Plusieurs études sont en cours afin de mesurer et d'optimiser leurs performances, en essayant en particulier de traiter les défauts de détection qui peuvent apparaître (voies manquantes, courants de fuite, décharges sur certaines voies). Des R&D sont aussi en cours dans notre laboratoire afin de déterminer si d'autres types de détecteurs Micromegas bulk, plus robustes, pourraient atteindre des performances similaires aux Microbulks, ou si une détection directe des électrons d'ionisation sans amplification gazeuse et avec une électronique de lecture à très bas bruit pourrait remplacer les détecteurs Micromegas pour ce type d'application. Ces détecteurs pourraient alors être pris en compte pour le design des modules TPC qui suivront le premier.

Lors de son stage l'étudiant participera avec les physiciens de l'Irfu/DPhN du groupe PandaX-III ainsi qu'avec les ingénieurs de l'Irfu/Dedip aux études sur les détecteurs Microbulk et sur les détecteurs Micromegas bulk à haute résolution en énergie. Il participera aussi à la mise en œuvre d'un prototype d'une TPC avec lecture directe des électrons d'ionisation utilisant des chips de lecture IDeF-X à très bas bruit. Après avoir mesuré les performances de ces détecteurs grâce à une source radioactive ainsi qu'avec des rayons cosmiques, il travaillera à l'analyse des données recueillies afin d'en déterminer le niveau de bruit de l'électronique, la résolution en énergie et l'homogénéité du gain des détecteurs, ainsi que leur résolution spatiale Les résultats pourront être présentés à la collaboration PandaX-III qui est directement intéressée par ce travail, ainsi que devant d'autres groupes.

Le travail proposé aura lieu au Département de Physique Nucléaire (DPhN) à l’Irfu au CEA de Saclay, ainsi que partiellement dans le laboratoire Dedip de l'Irfu. La Collaboration PandaX-III comprend 60 physiciens de 12 laboratoires en Chine, aux États-Unis, en Espagne et en France. Les physiciens du groupe PandaX-III du DPhN ont participé à l'analyse des données plusieurs expériences de physique nucléaire et de physique hadronique ces dernières années et ont une grande expérience des problématiques de reconstruction de traces dans des détecteurs gazeux. Ils ont aussi développé différents détecteurs Micromegas pour les expériences Compass et n_TOF.

Durée du stage prévue: 4 à 6 mois
Formation demandée: M1 ou M2, le stage pourra éventuellement déboucher sur une thèse sur l'expérience PandaX-III
Mots clés/Keywords
TPC, chambre à projection temporelle, détection gazeuse, détecteurs Micromegas, électronique de lecture
TPC, time projection chamber, gaseous detection, Micromegas detectors, read-out electronics
Compétences/Skills
Analyses de données, analyse statistique, détecteurs gazeux Micromegas, électronique de lecture et prise de données, simulation Monte-Carlo
Data analysis, statistics, gaseous detectors, read-out electronics and data acquisition system, Monte-Carlo simulation
Logiciels
C++, ROOT, GEANT4, Garfield++
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Fission nucléaire : analyse des premières mesures sur le spectromètre gamma FIPPS installé auprès du réacteur nucléaire de recherche de Grenoble
Nuclear fission: analysis of the first data from the new FIPPS spectrometer installed at the research reactor of Grenoble

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

03/04/2020

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Materna Thomas
+33 1 69 08 40 91

Résumé/Summary
L’étude des rayons gamma émis par les fragments de fission permet de sonder les propriétés les plus fondamentales du processus de fission mais aussi de produire des données importantes pour les simulations des réacteurs nucléaires. Ce stage a pour objet l’analyse des premières mesures réalisées avec une cible fissile sur le nouveau spectromètre FIPPS installé auprès du réacteur de l’ILL.
Studying the gamma-rays emitted by fission fragments is a way to reveal the main properties of the fission process but it gives access as well to important data for nuclear reactor simulations. The purpose of this internship is to analyze the first experiments performed with a fission target on the new spectrometer FIPPS installed at the nuclear reactor of the ILL.
Sujet détaillé/Full description
Au sein de l’Irfu, notre laboratoire étudie expérimentalement la réaction de fission avec notamment des spectromètres de haute précision installés sur le réacteur à haut flux de Grenoble. Notre objectif est d’améliorer les modèles de fission et de désexcitation des fragments dans le cadre des simulations des réacteurs nucléaires mais aussi d'explorer des effets peu étudiés expérimentalement, comme l’influence de la forme des noyaux sur le processus de fission, la répartition des spins entre les deux fragments ou encore l’origine des grandes valeurs de spin des fragments de fission.

Ce stage s’inscrit dans l’étude que nous menons pour décrire les propriétés du processus de fission à l’aide des rayons gamma prompts émis par les fragments. L’étudiant(e) participera à l’analyse des dernières campagnes de mesure effectuées avec le nouveau spectromètre FIPPS installé auprès du réacteur de recherche de Grenoble (ILL). FIPPS est constitué d’un grand nombre de détecteurs de rayons gamma entourant une cible fissile placée dans un flux intense de neutrons thermiques. L’étudiant(e) sera en charge du traitement des données brutes du spectromètre, depuis la calibration du spectromètre, qu’il ou elle devra vérifier à l’aide de simulations Geant4, jusqu’à l’adaptation des codes d’analyse existants. Le premier objectif de physique sera de démontrer que l’utilisation d’une cible active dans FIPPS permet de mesurer des rendements de fission avec un bonne précision.

La priorité sera donnée à un(e) candidat(e) souhaitant poursuivre le stage avec une thèse de doctorat. De solides connaissances en physique nucléaire et un attrait marqué pour l’expérimentation et l’analyse des données sont indispensables. L’analyse des données s’effectuera avec un code développé en C++ et basé sur ROOT. Ce stage requière donc de bonnes compétences en programmation. Une connaissance du logiciel de simulation Geant4 et de l’environnement ROOT est un atout sans être une obligation.
Our lab at IRFU performs experimental studies on the nuclear fission reaction with, in particular, high-resolution spectrometers installed at the high-flux reactor of Grenoble. Goals are to improve fission models and description of the fragment de-excitation process used in simulation codes for nuclear reactor design but also to explore experimentally less-studied areas like the influence of the nuclear shapes on the fission process, the repartition of angular momentum between the two fragments or the origin of high spins in fission fragments.

The proposed internship is linked to our study on the properties of the fission process by using the gamma rays emitted by fission fragments. The student will participate to the data analysis of the first experiment campaigns performed with the new FIPPS spectrometer installed at the research reactor of Grenoble (ILL). FIPPS is made of a large array of gamma-ray detectors placed around a fissile target that is irradiated with an intense thermal neutron flux. The student will be in charge of data processing, from detector calibration and its cross-check with Geant4 simulations to the adaptation of existing software. The first physics goal is to prove that one can extract precise fission yields from the measurement performed with an active fissile target.

Priority will be given to a candidate wishing to continue the internship with a PhD. A strong background in nuclear physics and a pronounced interest for experimental work and data analysis is essential. Data analysis will be performed with in-house software developed in C++ and based on ROOT. This internship requires therefore good programming skills. Knowledge of Geant4 simulation software and the ROOT environment is an asset but not an obligation.
Mots clés/Keywords
spectroscopie gamma, fission nucléaire, physique des réacteurs
gamma-ray spectrocopy, nuclear fission, reactor physics
Compétences/Skills
- Spectroscopie gamma avec des détecteurs Germanium et analyse des spectres. - Traitement de larges quantités de données multidimensionnelles. - Programmation en C++ avec l'environnement, les librairies ROOT (CERN). - Simulation du dispositif avec Geant4.
- Gamma-ray spectroscopy with HPGe detectors and analysis of gamma-ray spectra. - Processing of large multidimensional datasets. - Programming in C++ using ROOT (CERN) libraries. - Simulation of the spectrometer with Geant4.
Logiciels
C++, ROOT, Geant4
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Hypernoyau : étude de la voie Lambda N --> K-NN
Hypernucleus : study of the Lambda N --> K-NN channel

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/05/2020

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DAVID Jean-christophe
+33 1 69 08 72 77

Résumé/Summary
La réaction (Lambda N --> K-NN) joue un rôle dans la production d'hypernoyau, or quasiment aucune information n'existe sur elle. Un modèle simple basé sur des diagrammes de Feynman sera développé et utilisé pour essayer de palier ce manque.
The reaction (Lambda N --> K-NN) plays a role in the production of hypernucleus, but unfortunately almost no information exists on it. A simple model based on Feynman diagrams will be developed and used to try to overcome this gap.
Sujet détaillé/Full description
La simulation de production d'hypernoyau nécessite le traitement de réactions hadron-nucleon en cascade dans le noyau cible. Pour certaines de ces réactions élémentaires des informations sont disponibles (sections efficaces, produits finals), ce qui permet de les prendre en compte, mais pour d'autres non. Le code INCL (Liège IntraNuclear Cascade) développé à l'Irfu/DPhN est capable de simuler la production de particules étranges et d'hypernoyaux. Les comparaison aux données sont très intéressantes. Néanmoins la production de K- souffre du manque d'une voie non implantée. Cette voie est la réaction Lambda N --> K-NN. Elle n'a pas été mise dans cette première version d'INCL avec étrangeté par manque d'information. Nous proposons dans ce stage d'essayer d'estimer la section efficace de cette réaction, et éventuellement les caractéristiques des produits finals, par un modèle simple basé sur des diagrammes de Feynman. Le résultat de ce travail sera implanté dans INCL et soumis à des tests sur la production de K-. Le but étant d'améliorer les simulations de production d'hypernoyau.
Simulation of hypernucleus production requires the treatment of hadron-nucleon cascade reactions in the target nucleus. For some of these elementary reactions information is available (cross sections, final products), which allows them to be taken into account, but for others not. The INCL code (Liège IntraNuclear Cascade) developed at Irfu/DPhN is capable to simulate the production of strange particles and hypernuclei. The comparison with the data is very interesting. Nevertheless, the production of K- suffers from the lack of a non-implemented channel: Lambda N --> K-NN. It was not included in the first version of INCL with strangeness due to a lack of information. Within this internship we propose to try to estimate the cross section of this reaction, and possibly the characteristics of the final products, by a simple model based on Feynman diagrams. The result of this work will be implemented in INCL and tested on the production of K-. The goal is to improve hypernucleus production simulations.
Logiciels
C++
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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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Recherche des noyaux en forme de poire dans les actinides : participation à l’expérience de spectroscopie laser d’isotopes de nobélium (Z = 102) et de lawrencium (Z = 103)
Search for pear-shape nuclei in actinides: participation in the laser-spectroscopy experiment of nobelium (Z = 102) and lawrencium (Z = 103) isotopes

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/03/2020

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

VANDEBROUCK Marine
+33 1 69 08 73 87

Résumé/Summary
Le stage proposé consiste en la préparation et la participation à l’expérience de spectroscopie laser du 255Lr, il s’agira du noyau le plus lourd jamais étudié par cette méthode, et du 254No à GSI (Allemagne).
The proposed internship consists of preparing and participating in the laser spectroscopy experiment of 255Lr, which will be the heaviest nucleus ever studied with this method, and of 254No in GSI (Germany).
Sujet détaillé/Full description
L’étude du noyau atomique dans ses configurations les plus extrêmes – en particulier aux limites de stabilité du noyau - est un axe majeur de la physique nucléaire fondamentale contemporaine. En effet, le noyau, poussé dans ses retranchements, adopte un comportement caractéristique qui révèle sa structure sous-jacente. Ces études sont cependant confrontées à des difficultés expérimentales, comme c’est le cas dans la région des noyaux lourds, noyaux éphémères qui sont difficiles à produire. Dans cette région de la carte des noyaux, les actinides déficients en neutrons présentent un intérêt particulier. En effet, plusieurs calculs théoriques prédisent des déformations octupolaires (forme de poire), et nous savons que ces dernières jouent un rôle clé dans les processus de fission ou dans les nouvelles radioactivités, appelées radioactivités cluster, par exemple. La présence de déformations octupolaires pourrait même avoir un impact sur la physique au-delà du modèle standard.

Le laboratoire LENA (Laboratoire d’Etude du Noyau Atomique), au sein du Département de Physique Nucléaire de l’Irfu, est fortement impliqué dans l’étude de la structure des noyaux lourds. Les chercheurs du LENA travaillent, depuis longtemps, en étroite collaboration avec les équipes du GANIL (France), de GSI (Allemagne) et de l’Université de Jyväskylä (Finlande) où ils réalisent leurs expériences. Depuis quelques années, une nouvelle approche expérimentale est utilisée à GSI pour étudier les propriétés de l’état fondamental des noyaux lourds : la spectroscopie laser.

La spectroscopie laser s'est imposée comme un outil puissant pour étudier la structure du noyau. S'appuyant sur le fait que certaines propriétés atomiques dépendent des propriétés du noyau, la spectroscopie laser est une technique de physique atomique qui permet d'étudier les propriétés du noyau indépendamment des modèles nucléaires. Les résultats expérimentaux obtenus avec cette méthode fournissent ainsi des contraintes fortes sur l’interaction nucléon-nucléon dans le noyau.

L’objectif de ce stage est la préparation et la réalisation d’une expérience de spectroscopie laser du 254No et du 255Lr – la spectroscopie laser n’a jamais été réalisée dans un noyau aussi lourd - qui aura lieu à GSI en mai 2020. Le stagiaire pourra ainsi se familiariser avec cette technique expérimentale qui sera, par la suite, utilisée pendant la thèse de doctorat.
The study of atomic nuclei in their most extreme configurations - especially at the limits of the nucleus stability - is a major direction of contemporary fundamental nuclear physics research. Pushed to its limits, a nucleus shows a characteristic behavior that reveals its underlying structure. Experimentally, these studies represent a major challenge in the region of heavy nuclei which are unstable nuclei difficult to produce. In this region of the nuclear chart, neutron-deficient actinides are of particular interest. Indeed, several theoretical calculations predict strong octupole deformations (pear shape), and it is well known that the latter play a key role in fission dynamics or cluster radioactivity for example, as well as, could even have an impact beyond the Standard Model of particle physics.

The LENA laboratory (Laboratoire d’Etude du Noyau Atomique), which belongs to the nuclear physics department of Irfu, is strongly involved in the study of the structure of heavy nuclei. For many years, LENA researchers have been working in collaboration with teams from GANIL (France), GSI (Germany) and the University of Jyväskylä (Finland) where they conduct their experiments. In recent years, a new experimental approach has been used at GSI to study the ground-state properties of heavy nuclei: the laser spectroscopy.

The laser spectroscopy has been well established as a powerful tool in nuclear structure studies. Relying on the fact that some properties of the atomic spectrum depend on the properties of the nucleus, laser spectroscopy is an atomic physics technique that allows to study the nuclear properties independently of nuclear models. Experimental results obtained with this method provide stringent constraints on the nucleon-nucleon interaction in the nucleus.

The objective of this internship is to prepare and perform the laser-spectroscopy experiment of 254No and 255Lr - laser spectroscopy has never been performed in such a heavy nucleus – which is scheduled at GSI in May 2020. The student will thus be able to familiarize himself with this experimental technique, which will then be used during the doctoral thesis.
Mots clés/Keywords
Structure nucléaire – Noyaux lourds – Spectroscopie laser
Nuclear structure – Heavy nuclei – Laser spectroscopy
Compétences/Skills
Compétences concernant l’utilisation des systèmes de détection, en programmation et en analyse de données.
Skills concerning the use of detectors, programming and data analysis.
Logiciels
C++, ROOT

 

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