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De Spectroscopie gamma de haute résolution
From Gamma-ray tracking to high-resolution spectroscopy

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-06-2019

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

KORTEN Wolfram
+33 1 69 08 42 72

Résumé/Summary

Le stage vise des futures doctorants du groupe "spectroscopie nucléaire" au SPhN. Il a pour but de familiariser le stagiaire avec les méthodes de la spectroscopie gamma et notamment avec le propriétés du détecteur AGATA actuellement en exploitation au GANIL (Caen).
The internship aims at future PhD students of the nuclear spectroscopy group at SPhN. It will allow the PhD candidate to familiarise him/herself with modern methods of nuclear spectroscopy and in particular the gamma-ray tracking used with the AGATA spectrometer currently being operated at GANIL (Caen).

Sujet détaillé/Full description

La détection de rayonnements gamma issus de la désexcitation de noyaux excités nous renseigne sur la structure du noyau. Cette détection est souvent réalisée à l’aide de cristaux semi conducteurs de germanium à cause de leur excellent pouvoir de résolution. AGATA, le nouveau multi-détecteur Européen pour la spectroscopie nucléaire de haute résolution, sera à terme constitué de 180 cristaux. Il est basé sur un nouveau principe de détection : le tracking des rayons gamma. En effet, à la fois l’énergie totale déposée par les rayonnements mais aussi les interactions individuelles des rayons gamma sont enregistrées grâce à la segmentation de la surface du cristal et une analyse de formes d’impulsions. Ceci nous permet de reconstruire le trajet de chaque gamma dans le cristal.
Le laboratoire pour l'Etude du Noyau Atomique (LENA) du SPhN ainsi que les services techniques de l’IRFU sont fortement impliqués dans la construction mais aussi dans l’exploitation d’AGATA. Depuis 2015 AGATA est en exploitation au GANIL (Caen) ou le groupe a réalisé plusieurs expériences. Selon le planning le/la stagiaire pourra participer a des experiences avec AGATA au GANIL. Après s’être familiarisé(e) avec les techniques expérimentales, les logiciels d’analyse et des simulations dédies à AGATA, il/elle aura pour mission de rejouer les données enregistrées et d’analyser une partie de l’expérience. En fonction de l’intérêt du candidat(e), une partie plus instrumentale pourra être réalisée avec une participation aux tests de validation des cristaux et au montage de multiplets. Enfin, le/la stagiaire participera aux expériences du groupe auprès des différents accélérateurs.
Le stage devra déboucher sur une thèse qui portera sur l’analyse de données expérimentales dans le domaine de l’excitation Coulombienne à l’aide de multi-détecteurs gamma (SL-DRF-19-0068).
The detection of gamma-rays, high-energy photons emitted in the de-excitation process of excited nuclei, informs us about the structure of atomic nuclei. Modern high-resolution gamma-ray spectrometers are built from Germanium semi-conductor detectors due to their excellent energy resolution and the fact that rather large crystals can be grown. AGATA is the latest gamma-ray spectrometer of the European high-resoltion spectroscopy community and will consist of 180 high-purity Germanium crystals. AGATA is based on the novel technique of gamma-ray tracking, whereby all interactions of each photon are registered due to the segmentation of the crystal surfaces and an analysis of the registered pulse shapes. This allows to reconstitute the path of each gamma-ray in the spectrometer.
The LENA laboratory of the nuclear physics department as well as the technical divisions of IRFU are strongly involved in the construction and exploitation of AGATA. Since 2015 AGATA is installed at GANIL and where the group has realised several experiments. Depending of the length of the internship and the planning of the GANIL facility the candidate will be able to participate in one of the upcoming experiments. The candidate will familiarise him/herself with the experimental technique, the analysis tools and the simulation package before being able to analyse a part of the experimental data.
The internship should lead to a PhD thesis proposed by the group, in particular the one related to Coulomb excitation of exotic nuclei
(SL-DRF-19-0068)

Mots clés/Keywords

Structure et Spectroscopie nucléaire, Gamma-ray tracking
Nuclear structure and spectroscopy, Gamma-ray Tracking

Compétences/Skills

Spectroscopie gamma,
Gamma-ray spectroscopy and tracking

Logiciels

Root, C++,
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Étude de détecteurs Micromegas pour l'expérience sPHENIX à BNL
R&D on Micromegas detectors for the sPHENIX experiment at BNL

Spécialité

Instrumentation

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-06-2019

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

PEREIRA-DA-COSTA Hugo
+33 1 69 08 73 08

Résumé/Summary

Le sujet de stage proposé consiste à l'étude de détecteurs Micromegas pour équiper la chambre à projection temporelle de l'expérience sPHENIX. Il s'agit de trouver une configuration permettant de minimiser la remontée ionique dans le détecteur tout en conservant de bonnes résolution en energie et résolution spatiale.
The proposed internship subject consists in studying Micromegas detectors for the sPHENIX Time Projection Chamber. The goal is to find a detector configuration that minimizes the ion back-flow, while keeping good spacial and energy resolutions.

Sujet détaillé/Full description

L'expérience sPHENIX est construite à RHIC comme remplacement de l'expérience PHENIX maintenant terminée. Elle établira les caractéristiques du Plasma de Quarks et de Gluons dans un régime complémentaire de celui étudié au LHC par les expériences ALICE, ATLAS et CMS. Le dispositif expérimental combine une reconstruction et identification précise des particules chargées au moyen d'une chambre à projection temporelle (TPC) nouvelle génération avec une calorimétrie à la fois électromagnétique et hadronique permettant la reconstruction complète des jets. Le design et la construction de sPHENIX a débuté en 2017. La première prise de donnée aura lieu en 2023. Entre temps, de nombreux défis aussi bien en terme de détecteurs que de software doivent être surmontés pour que l'expérience puisse atteindre les performances attendues.

Le sujet de stage proposé consiste en l'étude de détecteurs Micromegas déstinés à équiper la TPC de sPHENIX. Les détecteurs doivent fournir une résolution spatiale suffisante pour permettre la mesure précise de l'impulsion des particules chargées. Par ailleurs ils doivent minimiser la présence de charges électriques positives (ions) dans le volume de la TPC. Ces charges peuvent en effet susciter des distorsions locales du champ électrique dans la TPC et détériorer sa capacité à reconstruire la trajectoire des particules.

Les détecteurs Micromegas sont des détecteurs gazeux à plaques parallèles constituées de deux étages: (1) un étage de dérive coïncidant avec le volume de la TPC et (2) un étage d'amplification situé entre le circuit imprimé qui collecte le signal et une micro-grille. Le champ électrique présent dans l'espace d'amplification est très élevé, donnant lieu à un phénomène d'avalanche lorsqu'y pénètre un électron. Les ions résultant de cette avalanche sont ceux responsables de possibles distorsions du champ électrique dans la TPC. Le travail de l'étudiant(e) consistera à étudier la possibilité d'ajouter une ou plusieurs micro-grilles au dessus de la micro-grille d'amplification de façon à capturer ces ions avant qu'ils n'entrent dans l'espace de dérive. Cela nécessitera de construire plusieurs détecteurs prototypes de taille réduite, de les caractériser à l'aide à la fois de sources radioactives et de tests en faisceau, puis d'en simuler les propriétés de façon précise à l'aide d'outils tels que GARFIELD++

L'étudiant(e) travaillera dans un environnement enrichissant constitué de scientifiques et ingénieurs provenant de deux départements du CEA: le Département de Physique Nucléaire (DPhN) et le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP). Il/elle fera partie d'une collaboration scientifique internationale de grande taille: sPHENIX. Il/elle devra montrer son intérêt pour 1) le développement et la construction de détecteurs de particules et 2) les simulations.
sPHENIX is an experiment being build at RHIC as a replacement of the now decommissioned PHENIX experiment. It will pin down the properties of the Quark-Gluon Plasma in a regime complementary to that which is being studied at the LHC by ALICE, ATLAS and CMS. Its apparatus combines precise charged particle reconstruction and identification using a state of the art Time Projection Chamber (TPC) together with calorimetry both hadronic and electromagnetic, targeting full jet reconstruction. sPHENIX design and construction has started in 2017. It will take data in 2023. In the meanwhile many challenges have to be met regarding both detectors and software for the experiment to achieve its foreseen performances.

The proposed internship subject consists in designing Micromegas detectors suitable to equip the sPHENIX TPC. The detectors must provide a good enough spacial resolution in order to accurately measure the momentum of the produced charged particles. At the same time, it must minimize the presence of positive charges (ions) in the TPC volume. These charges could create local distortions to the electric field in the TPC and ruin its ability to properly reconstruct the particle's trajectory.

Micromegas detectors are parallel plate gas detectors that consist of two stages: (i) a drift stage that coincides with the TPC drift volume and (ii) an amplification stage delimited by the printed circuit board that collects the signal and a mesh. The electric field in the amplification stage is very large, resulting in an avalanche process when entered by an electron coming from the drift stage. The positive ions resulting from this avalanche are the ones that could cause electric field distortions in the TPC. The student's job during his/her PhD will be to study the possibility to add one or several extra meshes on top of the amplification mesh in order to capture these ions before they enter the drift volume. This will require the design of smaller size detector prototypes, their precise characterization using both radioactive sources and beam tests, and the detailed simulation of their properties using simulation programs such as GARFIELD++.

The student will work in a rich environment constituted of both physicist and engineers coming from two departments: the Department of Nuclear Physics (DPhN) and the Department of Electronics, Detectors and Computing for Physics (DEDIP). He/She will participate in a large international scientific collaboration: sPHENIX. He/She will have to show interest in 1) detector hardware and 2) simulations.

Mots clés/Keywords

Physique des particules, plasma de quarks et de gluons, Micromegas, Chambre à projection temporelle
Particle physics, Quark-Gluon plasma, Micromegas, Time projection chamber

Compétences/Skills

Caractérisation de détecteurs à l'aide de sources radioactives et de tests en faisceau. Analyse des résultats de tests avec ROOT. Simulations des propriétés de détecteurs à l'aide de GARFIELD++.
Detector characterization using radioactive sources and beam tests. Data analysis using ROOT. Detector simulations using GARFIELD++.

Logiciels

c, c++, labview, ROOT, GARFIELD++
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Modélisation du problème à N-corps appliqué à la dynamique nucléaire
N-body modelisation applied to nuclear dynamics

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-06-2019

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

LETOURNEAU Alain
+33 1 69 08 76 01

Résumé/Summary

Une des approches que nous développons pour traiter la dynamique nucléaire consiste à considérer les nucléons comme des boules de billard en collision (cascade intra-nucléaire INCL). Dans ce stage nous proposons d’étendre cette approche en introduisant des interactions entre les nucléons.
One of the approaches we are developing to address nuclear dynamics is to consider nucleons as colliding billiard balls (intra-nuclear cascade INCL). In this course we propose to extend this approach by introducing interactions between nucleons.

Sujet détaillé/Full description

La matière nucléaire et son comportement dynamique sont au cœur des grandes questions sur la structuration de la matière à l’échelle du noyau de l’atome mais également à l’échelle astrophysique. Les réactions élémentaires induites par nucléon sont à l’œuvre dans les milieux stellaires et sont riches en informations sur la dynamique d’évolution de la matière nucléaire, en particulier sur le réarrangement de ses constituants sous contrainte pouvant conduire à des phénomènes collectifs de déformation extrêmes entraînant la cassure du noyau.
La dynamique nucléaire nécessite de traiter un système quantique à N-corps en interaction. Actuellement, deux approches approximent la résolution de ce problème : la résolution de l’équation de Schrödinger en champs moyen et l’approche dynamique de Boltzmann. La première approche permet de calculer assez précisément la structure de l’état fondamental du noyau et de ses premiers états excités, ainsi que l’évolution moyenne du système quantique. Elle est cependant limitée aux réactions de basse énergie et ne traite pas de la collision entre les nucléons. La seconde est plus adaptée pour décrire la dynamique du noyau, incluant les collisions entre nucléons, mais ne permet pas un traitement quantique complet.
Une des approches que nous développons au sein du laboratoire est celle de la cascade intra-nucléaire qui résout l’équation de Boltzmann dans l’approximation de particules classiques et indépendantes. Cette approche est très bien adaptée pour traiter des réactions nucléaires induites par des particules légères de plusieurs dizaines de MeV jusqu’à la dizaine de GeV. Elle permet d’inclure les collisions entre nucléons et la production de méson et de particules étranges via les excitations nucléon-nucléon. Cependant, dans cette approche le potentiel qui agit sur chaque nucléon n’est pas traité de manière auto-cohérente et la formation d’amas de nucléons doit-être ajoutée de manière ad’hoc.
Dans ce stage, nous proposons d’étendre cette approche de cascade en incluant des interactions entre nucléons. Ce travail nécessite d’optimiser le traitement du problème à N-corps afin de réduire le temps de calcul. Plusieurs méthodes et algorithmes existent, principalement développées en astrophysique pour calculer l’évolution de systèmes stellaires ou galactiques. La méthode la plus répandue est celle dite en arbre qui permet de hiérarchiser l’importance du traitement des interactions à deux corps. Cette méthode à l’avantage de réduire le temps de calcul à Nln(N) au lieu de N2. Le travail de stage consistera dans un premier temps à regarder ces différentes méthodes et approches afin de dégager celle qui semble la plus pertinente. Une interaction nucléon-nucléon réaliste sera introduite dans un code traitant du problème à N-corps par la méthode des arbres afin de tester cette méthode, d’évaluer ses performances et d’étudier le comportement du système sous l’action de ces interactions. Dans un second temps, l’implantation de cette méthode dans INCL sera étudiée.
Nuclear matter and its dynamic behavior are at the heart of the major questions on the structuring of matter at the scale of the atomic nucleus but also at the astrophysical scale. Elementary nucleon-induced reactions are at work in stellar environments and are rich in information on the evolution dynamics of nuclear material, in particular on the rearrangement of its components under constrains that can lead to extreme collective deformation phenomena leading to nuclear fission.
Nuclear dynamics requires processing an interacting N-body quantum system. Currently, two approaches approximate the solution of this problem: the resolution of the Schrödinger equation in mean fields and the Boltzmann dynamic approach. The first approach allows to calculate quite precisely the structure of the fundamental state of the nucleus and its first excited states, as well as the average evolution of the quantum system. However, it is limited to low energy reactions and does not deal with collision between nucleons. The second is better suited to describe the dynamics of the nucleus, including collisions between nucleons, but does not allow a complete quantum processing.
One of the approaches we are developing in the laboratory is the intra-nuclear cascade approach, which solves the Boltzmann equation by approximating conventional and independent particles. This approach is very well adapted to deal with nuclear reactions induced by light particles from several tens of MeV to ten of GeV. It allows to include collisions between nucleons and the production of meson and strange particles via nucleon-nucleon excitation. However, in this approach the potential that acts on each nucleon is not treated in a self-coherent way and the formation of nucleon clusters must be added ad hoc.
In this internship, we propose to extend the cascade approach by including interactions between nucleons. This work requires optimizing the treatment of the N-body problem in order to reduce computation time. Several methods and algorithms exist, mainly developed in astrophysics to calculate the evolution of stellar or galactic systems. The most common method is the so-called tree method, which makes it possible to prioritize the importance of processing two-body interactions. This method has the advantage of reducing the calculation time to Nln(N) instead of N2. The internship work will first consist in looking at these different methods and approaches in order to identify the one that seems most relevant. A realistic nucleon-nucleon interaction will be introduced into a code addressing the N-body problem by the tree method in order to test this method, evaluate its performance and study the behavior of the system under the action of these interactions. In a second step, the implementation of this method in INCL will be studied.

Mots clés/Keywords

Modélisation, dynamique nucléaire, matière nucléaire, problème à N-corps
Modelization, nuclear dynamics, N-body, nuclear mater

Compétences/Skills

Méthodes numériques
Numerical techniques

Logiciels

C++

 

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