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Développement des calculs ab initio pour les noyaux atomiques
Advancing the ab initio description of atomic nuclei

Spécialité

Physique théorique, mécanique quantique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

05/05/2021

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SOMA Vittorio
+33 1 69 08 32 36

Résumé/Summary
Le projet porte sur les simulations ab initio de noyaux atomiques et vise des développements formels et / ou numériques (selon la préférence de l'étudiant) qui contribueront à pousser l'une des approches de pointe vers une plus grande précision.
The project concerns ab initio simulations of atomic nuclei and aims at formal and/or numerical developments (depending on the taste of the student) that will contribute to pushing one of the state-of-the-art approaches to higher precision.
Sujet détaillé/Full description
La description théorique "ab initio" des noyaux atomiques est devenue possible que récemment grâce à des progrès décisifs en théorie à N corps et à la disponibilité de super-ordinateurs de plus en plus puissants. Ces techniques ab initio sont appliquées avec succès à l'étude de la structure des noyaux les plus légers. En revanche, les extensions aux éléments plus lourds et aux réactions nucléaires posent des difficultés considérables.

L'objectif du projet est de contribuer à ce progrès en théorie à N corps. L'étude sera centré sur une technique ab initio en cours de développement au CEA Saclay (l'approche dite de fonction Gorkov-Green) qui a permis pour la première fois l'application de méthodes ab initio aux systèmes à couche ouverte ou, autrement dit, superfluides (la majorité des noyaux atomiques). Après les premieres applications pour des noyaux légers et de masse moyennes, l'approche face au défi d’un upgrade crucial pour atteindre le niveau de precision et compétitivité des méthodes de pointe. Le travail proposé visera à développer les premiers outils pour aller dans ce direction.

Plus précisément, l'étudiant effectuera (selon sa préférence) soit des développements formels de la théorie des fonctions de Gorkov-Green, soit contribuera à l'écriture d'un code numérique capable de générer automatiquement des expressions pour des contributions d'ordre supérieur dans la théorie. Une thèse où ces développements seront incorporés dans le code numérique pour des simulations ab initio des noyaux atomiques peut être envisagée.
The theoretical description of atomic nuclei from first principles, or in a so-called ab initio fashion, has become possible only recently thanks to crucial advances in many-body theory and the availability of increasingly powerful high-performance computers. Such ab initio techniques are being successfully applied to study the structure of nuclei starting from the lighter isotopes. Still, extensions to heavy elements and nuclear reactions are posing considerable difficulties.

The objective of the project is to contribute to this on-going progress in nuclear many-body theory. The study will focus on a developing ab initio technique (the so-called Gorkov-Green function approach, devised at CEA Saclay) designed to describe open-shell or superfluid systems (the majority of atomic nuclei). After the first promising applications to light and medium-mass nuclei, the method faces crucial upgrades to reach the precision and competitiveness of state-of-the-art approaches. The proposed work will aim to put in place the first necessary tools towards this direction.

More specifically, the student will perform (depending on his/her preference) either formal developments of Gorkov-Green's function theory or contribute to the writing of a numerical code able to automatically generate expressions for higher-order contributions in the theory. A PhD thesis where such developments will be implemented in the numerical code for full-fledged ab initio simulations of atomic nuclei can be envisaged.
Mots clés/Keywords
Physique nucléaire, structure nucléaire, techniques à N corps, calcul haute-performance
Nuclear physics, nuclear structure, many-body techniques, high-performance computing
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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

30/09/2022

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 par l’expérience COMPASS au CERN. Le but est l’étude de l’hadronization des quarks étranges en kaons, et l'extraction de fonctions de distribution et de fragmentation des partons dans le secteur de l'étrangeté.
We propose an internship focused on physics data analysis to extract the multiplicities of kaons produced in the COMPASS experiment at CERN. The goal is to study the hadronization of strange quarks into kaons, and extract parton distribution functions and fragmentation functions in the strange quark sector.
Sujet détaillé/Full description
Les données inclusives de diffusion profondément inélastique (DIS) où un lepton (un muon par exemple) entre en collision avec un nucléon (mu p - > mu’ X), sont depuis des années la source principale d'informations sur la structure du nucléon. Analysées dans le cadre de la QCD perturbative (pQCD), et avec l'ajout de seulement quelques données d'autres réactions, elles ont fourni une image complète de la distribution des différentes saveurs de parton (up, down, strange…
Parton Distribution Functions, PDF). Cette image est remise en question par l'avènement de données précises du LHC, en particulier dans le secteur de l'étrangeté.
Les données DIS semi-inclusives (SIDIS), où, en plus du lepton diffusé, on détecte les hadrons sortant (par exemple : mu p - > mu’ p K), ont le potentiel de fournir les éclaircissements requis. Ceci est possible grâce à ‘’ l’étiquetage ’’ de la saveur des quarks par les hadrons (un kaon K dans l’exemple ci-dessus). La description du SIDIS dans pQCD nécessite la détermination expérimentale d'un autre ensemble de fonctions, les Fonctions de Fragmentation (FF) des quarks. Les multiplicités de hadrons (kaons, pions, protons) sont les observables requises. Elles sont ensuite analysées dans un fit pQCD simultané des PDF et FF.
L'expérience en cible fixe COMPASS au CERN a entrepris un programme de mesures de ces multiplicité, avec un accent particulier sur la production de kaons, porteurs de quarks de saveur ‘’étrange’’. Le stagiaire se concentrera sur l'analyse
des données. Il se familiarisera avec les fondamentaux de la physique expérimentale: simulation du dispositif expérimental par les techniques modernes de Monte-Carlo, analyse statistique de données, comparaison avec des calculs théoriques.
Finalement, l'étudiant utilisera un logiciel existant pour extraire les Fonctions de Fragmentation des quarks et des gluons à partir des multiplicités de hadrons mesurées.
Le stagiaire sera intégré dans l'équipe COMPASS du DPhN à Saclay, qui est leader dans ce domaine de physique et a des responsabilités importantes au sein de la Collaboration à la fois dans les activités de construction de détecteurs et d’analyse de données. Du côté de la théorie, il recevra les conseils d'un théoricien du DPhN, expert des
techniques pQCD utilisées entre autres par la Collaborationn NNPDF (Neural Network PDF).
Inclusive Deep Inelastic Scattering (DIS) data where a lepton collides on a nucleon, have been for years the primary source of information on the structure of the nucleon. Analysed in the framework of perturbative QCD (pQCD), and with the addition of only few data from other reactions, they have provided a complete picture of the distribution of the various parton flavours (up, down, strange…) in terms of Parton Distribution Functions (PDFs). This picture is challenged by the advent of precise LHC data, in particular in the strangeness sector.
Semi-Inclusive DIS (SIDIS) data, where in addition to the scattered lepton, hadrons produced in the final state are measured, have the potential to provide the required clarification. This, thanks to the tagging of quark flavours by the outgoing hadrons. The description of SIDIS in pQCD requires the experimental determination of another set of functions, the parton Fragmentation Functions (FFs). Hadron multiplicities are the relevant observables. They are then put to best use in a simultaneous pQCD fit to PDFs and FFs.
The COMPASS fixed target experiment at CERN has undertaken a programme of measurements of theses multiplicity observables, with a particular emphasis on the production of kaons, i.e. hadrons with open strangeness. The intern will focus on the analysis of data collected by COMPASS. He 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 quark and gluon fragmentation functions from the measured hadron multiplicities.
The student will be integrated in the COMPASS DPhN Saclay team, who is a leader in this physics topics and has important responsibilities inside the collaboration both in hardware and analysis activities. On the theory side, he will receive guidance from a theoretician of DPhN Saclay, expert in the pQCD fitting techniques used by the NNPDF (Neural
Network PDF) collaboration.
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 la structure des kaons via la diffusion profondément inélastique sur de l'hydrogène
Accessing the kaon structure using 'recoil tagged' deep-inelastic muon scattering on hydrogen

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/09/2022

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 par l’expérience COMPASS au CERN, pour tenter d'étudier la structure des kaons via la diffusion profondément inélastique sur le ''nuage de mésons'' du proton, avec un ''étiquetage'' adéquat des particules de recul.
We propose an internship focused on physics data analysis to study the structure of kaons via deeply inelastic scattering on the proton 'meson cloud', with an adequate tagging of recoil particles.
Sujet détaillé/Full description
Les distributions de partons (quarks 'up' et 'strange') dans le kaon, le méson étrange le plus léger, est actuellement très mal connue. La raison en est que le kaon étant instable, aucune cible de kaon n'existe. Cependant, dans des régions cinématiques spécifiques, le kaon est accessible via la diffusion inélastique profonde de leptons (ici des muons) sur des mésons kaons virtuels qui font partie du «nuage de mésons» du proton. La réaction peut être étiquetée par la détection de la particule de recul associée, ici un Lambda.
Pour un muon incident diffusé sur une cible d'hydrogène (proton p), la réaction est mu p -> mu 'p' Lambda, où le Lambda se désintègre en proton et pion (Lambda -> p pi). La détection des produits de désintégration p et pi en coïncidence avec le muon mu 'diffusé devrait donc fournir une signature du méson kaon insaisissable.
Des données acquises avec un faisceau de muons diffusé sur une cible d'hydrogène ont été collectées par l'expérience COMPASS au CERN. Les particules de recul ont été identifiées grâce à un détecteur de temps de vol. L'objectif du stage est d'utiliser les données disponibles afin d'identifier les proton et les pions de recul pour reconnaître une particule Lambda.
The structure function of the kaon, the lightest strange meson, accounting for the momentum distribution of its up and strange quarks, is presently unknown. There is a simple reason for that: the kaon being unstable, no kaon target exists. However, in specific kinematic regions, the kaon can be accessed through the deep inelastic scattering of leptons (here muons) on virtual kaon mesons which are part of the 'meson cloud' of the proton. The reaction can be tagged by the detection of the associated recoiling particle, here a Lambda.
For an incident muon scattered on an hydrogen (proton p) target, the reaction is mu p -> mu' p' Lambda, where the Lambda decays into a proton and pion (Lambda -> p pi). Detecting the p and pi decay products in coincidence with the scattered muon mu' should therefore provide a clear signature of the elusive kaon meson.

Data with muon beam and hydrogen target have been collected by the COMPASS experiment at CERN. Recoiling particles were detected and identified using a large Time-Of-Flight recoil detector. The objective of the internship is to use the available data in order to identify first the recoiling protons, then the recoiling pions and finally the coincidence between protons and pions that combine into a Lambda particle.
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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Fonctions d'onde du cône de lumière et structure 3D du nucléon
Lightfront Wave Functions studies of the 3D structure of the nucleon

Spécialité

Physique théorique, mécanique quantique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

09/05/2021

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

MEZRAG Cédric
+33 1 69 08 87 19

Résumé/Summary
Le but du stage est de comprendre comment est-ce que les fonctions d'onde de valence du nucléon (i.e. décrivant un nucléon composé de trois quarks habillés) génèrent la densité de présence 3D de quarks à l'intérieur du nucléon.
The aim of the intership is to understand how the nucleon's valence wave functions (i.e. describing a nucleon composed of three dressed quarks) generate the 3D presence density of quarks inside the nucleon.
Sujet détaillé/Full description
L'étude expérimentale et théorique de la structure du nucléon en termes de ses composants élémentaires, les quarks et les gluons, est un axe de recherche au cœur des programmes expérimentaux actuellement menés au Jefferson Lab (États-Unis) ou au CERN. C'est l'une des justifications majeures de la construction d'un futur collisionneur électron-ion (EIC). Ce thème, au confluent de la relativité spéciale et de la mécanique quantique, bénéficie d'un cadre théorique bien établi (la Chromo-Dynamique Quantique, QCD), et de perspectives expérimentales bien définies. Les distributions généralisées des partons (GPDs) offrent une nouvelle perspective sur le nucléon : elles donnent accès, pour la première fois, à des informations tridimensionnelles complémentaires sur la structure du nucléon.
Outre la structure tridimensionnelle du nucléon, les GPDs encodent des informations supplémentaires, particulièrement pertinentes pour notre compréhension du nucléon. Elles sont par exemple liées au tenseur énergie-momentum, ce qui nous permet d'extraire la décomposition du spin du nucléon en termes de spins et de moment angulaire orbital de ses constituants, et également de calculer une carte 3D de la distribution de masse et de la distribution de charge. Les mécanismes à l'origine de ces propriétés émergentes du nucléon sont encore pour la plupart inconnus et sont activement explorés tant sur le plan théorique qu'expérimental.
Les GPDs sont accessibles grâce à certains processus exclusifs (toutes les particules à l'état final sont détectées) tels que la diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) ou la production de méson profondément virtuelle (DVMP). En fait, la mesure de ces processus pour accéder aux GPD constitue une part importante des motivations scientifiques des installations expérimentales actuelles (Jefferson Lab, COMPASS@CERN...) et futures (collisionneur électron-ion américain). Cependant, en raison de la nature complexe des systèmes liés de QCD, aucun calcul ab initio n'a encore été effectué, ce qui empêche toute compréhension de la dynamique sous-jacente générant la structure 3D du nucléon. Un pont entre nos connaissances fondamentales de l'interaction des quarks et des gluons et la structure 3D des hadrons reste à construire.

Le stagiaire se concentrera sur la description des GPDs à l'aide des fonctions d'onde de front de lumière (LFWFs). Dans la théorie quantique des champs, les LFWFs jouent le même rôle que la fonction d'onde de Schrödinger en mécanique quantique non relativiste. Chaque LFWFs a la particularité de décrire une fluctuation spécifique du nucléon en termes de nombre de constituants et de nombres quantiques. Dans le cas présent, nous nous concentrerons sur le plus petit nombre possible de constituants, c'est-à-dire trois quarks. Les LFWFs décrivant les états à trois quarks sont appelés LFWFs de valence. Elles sont au nombre de six et portent des quantités variables de moment angulaire orbital. Une telle approximation devrait être bonne dans le domaine cinématique de "valence", où les quarks transportent environ 1/3 du moment cinétique du proton.
Les objectifs du stage sont les suivants :
1. comprendre comment les LFWFs de valence contribuent aux GPDs et, à travers eux, à la structure 3D des hadrons ;
2. évaluer l'impact de chacun d'eux, en utilisant un modèle algébrique simple.
En cas de succès, ces premières études permettront au candidat d'entamer un doctorat à l'automne 2021, avec déjà suffisamment de matériel scientifique pour produire un article.
The experimental and theoretical study of the structure of the nucleon in terms of its elementary components, quarks and gluons, is a research focus at the heart of experimental programs currently being conducted at Jefferson Lab (US) or CERN. This is one of the major justifications for the construction of a future electron-ion collider (EIC). This theme, at the confluence of special relativity and quantum mechanics, benefits from a well-established theoretical framework (Quantum Chromo-Dynamics, QCD), and well-defined experimental perspectives. Generalized parton distributions (GPD) offer a new perspective on the nucleon: they provide access, for the first time, to complementary three-dimensional information on the nucleon structure.
On top of the 3D structure of the nucleon, GPDs encode additional pieces of information, particularly relevant for our understanding of the nucleon. They are for instance related to the energy-momentum tensor, allowing us to extract the decomposition of the nucleon spin in terms of the spins and orbital angular momentum of its constituents, and also to compute a 3D map of the mass distribution and of the charge distribution. The mechanisms behind these emergent properties of the nucleon are still mostly unknown and are actively explored both theoretically and experimentally.
GPDs are accessible through certain exclusive processes (all particles in the final state are detected) such as deeply virtual Compton scattering (DVCS) or deeply virtual meson production (DVMP). In fact, measuring these processes to access GPDs is a significant part of the physics case of current (Jefferson Lab, COMPASS@CERN…) and future (US electron-ion collider) experimental facilities. However, because of the complex nature of QCD-bounded systems, no ab-initio computation has been performed yet, precluding any understanding of the underlying dynamics generating the 3D structure of the nucleon. A bridge between our basic ideas of quarks and gluons interaction and the 3D structure of hadron remains to be built.

The internee will focus on the description of the GPDs using the so-called lightfront wave functions (LFWFs). In quantum field theory, the LFWFs plays the same role than the Schrödinger wave function in non-relativistic quantum mechanics. Each LFWF has the specificity to describe one specific fluctuation of the nucleon in terms of number of constituents and quantum numbers. In the present case, we will focus on the lowest possible number of constituents, i.e. three quarks. The LFWFs describing the three-quarks states are called the valence LFWFs. They are six of them, carrying various amount of orbital angular momentum. Such an approximation is expected to be good in the “valence” kinematical domain, where quarks carry roughly 1/3 of the proton momentum.
The goals of the internship are:
1. understanding how the valence LFWFs contributes to the GPDs, and through them to the 3D structure of hadrons;
2. assessing the impact of each of them, using a simple algebraic model.
If successful, these first studies will allow the candidate to start a Ph.D. in autumn 2021, with already sufficient scientific material to produce a paper.
Mots clés/Keywords
Physique hadronique, QCD
Hadron Physics, QCD
Compétences/Skills
Théorie quantique des champs, chromodynamique quantique, recouvrement de fonction d'ondes, outils numériques.
Quantum field theory, Quantumchromodynamics, overlap of wave functions, numerical tools.
Logiciels
Mathematica, C++
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Hyper optimisation des réseaux de neurones paramétrant les fonctions de fragmentation
Hyper optimisation of neural networks parameterising fragmentation functions

Spécialité

Physique théorique, mécanique quantique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/06/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BERTONE Valerio
+33 1 69 08 87 19

Résumé/Summary
Le projet consiste à développer un réseau neuronal artificiel qui sera affiné afin d'extraire les propriétés des hadrons, comme par exemple les fonctions de fragmentation, à partir des données disponibles de collisions lepton-proton.
The project consists in developing an artificial neural network that will be tuned to extract hadron properties like fragmentation functions from available lepton-proton collision data.
Sujet détaillé/Full description
L'un des principaux défis de la physique théorique des particules est la compréhension quantitative de la structure des hadrons. Actuellement, il est largement admis que la chromodynamique quantique (QCD) est la théorie qui décrit le mieux les hadrons et leurs interactions. Les éléments constitutifs de la QCD, les quarks et les gluons, sont considérés comme responsables de la plupart des propriétés de base des hadrons telles que la masse, la charge, le spin, etc. Par conséquent, il est crucial pour une compréhension complète de la structure des hadrons d'avoir une image claire de la distribution des quarks et des gluons à l'intérieur des hadrons. Malheureusement, cette tâche est compliquée par le fait que la QCD est fortement couplée à des énergies pertinentes pour l'étude de la structure des hadrons, ce qui empêche l'utilisation de la théorie des perturbations. Malgré le développement d'outils théoriques permettant en principe de calculer ces distributions à partir des principes de base, à l'heure actuelle, la manière la plus précise de les déterminer repose sur des ajustements aux données expérimentales.
Plus précisément, la distribution des quarks et des gluons à l'intérieur des hadrons est paramétrée et déterminée par comparaison avec les données expérimentales. Il est donc important de minimiser autant que possible tout biais découlant de la forme paramétrique particulière choisie pour ajuster les données. À cet égard, les réseaux de neurones artificiels (ANN) [1], grâce à leur flexibilité, constituent un outil puissant pour une détermination fidèle de la structure hadronique. Une des plus importantes incarnations des distributions mentionnées ci-dessus est représentée par les fonctions de fragmentation (FF) qui décrivent comment les quarks et les gluons se transforment en hadrons (hadronisation). Les FF sont pertinentes dans les collisions à haute énergie dans lesquelles un quark ou un gluon de l'hadron cible interagit avec une sonde externe et, en raison du confinement, le quark ou le gluon sortant "hadronise" et l'hadron résultant est détecté à l'état final.
Le sujet du présent projet de stage est l'étude des FF des hadrons légers (principalement des pions et des kaons) et leur détermination à partir des ajustements aux données expérimentales en utilisant les ANN comme paramétrage flexible. Il est important de noter que l'extrême flexibilité des ANN les rend particulièrement difficiles à manipuler et qu'un choix minutieux de leur architecture est crucial pour rentabiliser leur application à cette tâche. En général, dans de nombreuses applications, le choix éclairé des paramètres pertinents d'un cadre impliquant des ANN, souvent appelé hyper-optimisation, est un aspect important qui influence fortement la qualité du résultat. C'est également le cas dans ce contexte et l'hyper-optimisation d'un cadre qui utilise les ANN pour déterminer les FF à partir des ajustements aux données est la tâche à laquelle le candidat sera confronté.

Le candidat du présent projet de stage participera à la détermination des FF à l'aide d'ANN via un ajustement avec diverses données expérimentales. Le but principal de ce projet spécifique est l'hyper-optimisation de l'ANN utilisé pour cette tâche dans le but d'identifier l'architecture optimale pour une extraction fidèle des FF. Deux étapes principales sont envisagées :

1. Dans la première étape préparatoire, le candidat se familiarisera avec le cadre scientifique. Au cours de cette phase, le candidat apprendra à obtenir et à interpréter les résultats d'ANN.
2. Sur la base des connaissances acquises lors de la première étape, le candidat sera en mesure d'ajuster les paramètres pertinents du problème (architecture ANN, fonctions d'activation, taux d'apprentissage, etc.) afin d'obtenir une configuration optimale qui permettra une détermination fidèle des FF.

Si elle est couronnée de succès, cette étude permettra de rationaliser considérablement la détermination des FF à partir de données expérimentales utilisant des ANN et ouvrira la voie à des applications de la même technologie pour déterminer d'autres quantités intéressantes pertinentes pour une compréhension plus approfondie de la structure hadronique.

Bibliographie:

[1] R. Abdul Khalek and V. Bertone, “On the derivatives of feed-forward neural networks”, arXiv:2005.07039.

[2] V. Bertone et al., “A determination of the fragmentation functions of pions, kaons, and protons with faithful uncertainties”, Eur.Phys.J.C 77 (2017) 8, 516.
One of the main challenges of theoretical particle physics is the quantitative understanding of the structure of hadrons. Currently, it is widely accepted that Quantum Chromodynamics (QCD) is the theory that best describes hadrons and their interactions. The building blocks of QCD, quarks and gluons, are believed to be responsible for most of the basic properties of hadrons such as: mass, charge, spin, etc.. Therefore, it is of crucial importance for a full understanding of the hadron structure to make a clear picture of the distribution of quarks and gluons inside the hadrons. Unfortunately, this task is complicated by the fact that QCD is strongly coupled at energies relevant for the study of the hadron structure, preventing the use of perturbation theory. Despite theoretical tools are being developed allowing in principle for the computation of these distributions from first principles, at present the most accurate way to determine them relies on fits to experimental data.
More specifically, the distribution of quarks and gluons inside the hadrons are parameterised and determined by comparison to experimental data. It is therefore important to minimise as much as possible any bias deriving from the particular parametric form chosen to fit the data. In this respect, artificial neural networks (ANN) [1], thanks to their flexibility, provide a powerful tool towards a faithful determination of the hadronic structure. One of the most important incarnations of the distributions mentioned above is represented by fragmentation functions (FFs) that describe how quarks and gluons turn into hadrons (hadronisation). FFs are relevant in high-energy collisions in which a quark or a gluon from the target hadron interacts with an external probe and, due to confinement, the outgoing quark or gluon “hadronises” and the resulting hadron is detected in the final state.
The subject of the present internship project is the study of the FFs of light hadrons (mostly pions and kaons) and their determination from fits to experimental data using ANNs as a flexible parameterisation. Importantly, the extreme flexibility of ANNs makes them particularly hard to handle and a careful choice of their architecture is crucial to make their application to this task profitable. Generally, in many applications the educated choice of the relevant parameters of a framework involving ANNs, often referred to as hyper-optimisation, is an important aspect that heavily influences the quality of the result. This is the case also in this context and the hyper-optimisation of a framework that employs ANNs to determine FFs from fits to data is the task that the candidate will be confronted with.

The candidate of the present internship project will be involved in the determination of light-hadron FFs from a fit to a variety of experimental data using ANNs. The main goal of this specific project is the hyper-optimisation of the ANN employed for this task with the aim of identifying the optimal architecture for a faithful extraction of FFs. Two main steps are envisioned:

1. In the first preparatory step, the candidate will be introduced to the framework. In this phase, the candidate will learn how to obtain and interpret the results.
2. Building upon the knowledge acquired in the first step, the candidate will be in the position to adjust the relevant parameters of the problem (ANN architecture, activation functions, learning rates, etc.) to achieve an optimal configuration that will allow for a faithful determination of FFs.

If successful, this study will significantly streamline the determination of FFs from experimental data using ANNs and pave the way to applications of the same technology to determine other interesting quantities relevant to a deeper understanding of the hadronic structure.

References

[1] R. Abdul Khalek and V. Bertone, “On the derivatives of feed-forward neural networks”, arXiv:2005.07039.

[2] V. Bertone et al., “A determination of the fragmentation functions of pions, kaons, and protons with faithful uncertainties”, Eur.Phys.J.C 77 (2017) 8, 516.
Mots clés/Keywords
Physique hadronique, QCD
Hadron Physics, QCD
Compétences/Skills
Une connaissance de base des techniques numériques est importante. Une connaissance pratique de C++ et de Python est nécessaire pour pouvoir utiliser le cadre de calcul. Une connaissance de base de la mécanique quantique et de la théorie quantique des champs est nécessaire pour comprendre le contexte scientifique, mais pas pour effectuer le travail numérique proprement dit.
Basic knowledge of numerical techniques is important. Working knowledge of C++ and Python is required to be able to use the computational framework. Basic knowledge of quantum mechanics and quantum field theory is instead needed to understand the scientific context, but not to perform the actual numerical work.
Logiciels
C++, Python
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Mesure des performances de détecteurs Micromegas pour la chambre à projection temporelle de l'expérience PandaX-III
Performance measurement of Micromegas detectors for the time projection chamber of the PandaX-III experiment

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+4

Formation

Master 1

Unité d'accueil

Candidature avant le

18/06/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

non

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 136 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 ou elle 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 136-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 comme le Xénon 136 : 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 2021 avec un premier module de 145 kg de Xénon, pour arriver progressivement à une masse de 1 tonne avec 5 modules au delà de 2022.

Afin de mesurer les événements de désintégration, le volume de Xénon gazeux formera une chambre à projection temporelle (Time Projection Chamber, TPC) dans laquelle 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. Plusieurs contraintes s'appliquent sur les détecteurs Micromegas de la TPC: Ils doivent atteindre une très bonne résolution relative 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 classiques 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 qui ont une 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 des sources radioactives 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 un laboratoire du 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: L3 ou M1
Mots clés/Keywords
Physique des particules, TPC, chambre à projection temporelle, détection gazeuse, détecteurs Micromegas, détecteurs Microbulks
Particle physics, TPC, time projection chamber, gaseous detection, Micromegas detectors, Microbulk detectors
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, Garfield++, environnement REST
PDF
Mise à l'épreuve de l'interaction nucléaire aux limites de l'existence des noyaux
Testing nuclear interaction at the dripline

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/05/2021

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CORSI Anna
+33 1 69 08 7554

Résumé/Summary
Le stage portera sur l'analyse de données sur le noyaux très riche en neutrons 28F prises en 2015 auprès de l'accélérateur RIBF au Japon et plus précisément sur l'étude des correlations des neutrons émis dans sa décroissance. Ce travail peut déboucher sur une thèse.
The internship will focus on the analysis of data on the very neutron-rich 28F nucleus taken in 2015 at the RIBF accelerator in Japan and more precisely on the study of the correlations among its decay neutrons. This work can continue with a Thesis on the same subject.
Sujet détaillé/Full description
L'exploration des noyaux se trouvant à proximité de la limite d’existence des noyaux (appelée dripline) offre l’unique opportunité d’observer et d’étudier de nombreux phénomènes non prédits - ou insuffisamment - par la théorie tels que l’apparition de "halo" de neutrons ainsi que l’émergence de nouveaux nombres magiques et la disparition de ceux observés dans les noyaux proches de la stabilité.
Le sujet de stage proposé s’articule autour de l’étude de ces phénomènes émergents dans les noyaux exotiques et plus précisément dans le noyau très riche en neutrons 28F. Ce noyau a récemment fait l’objet d’une étude ayant permis de mettre en évidence de nombreux état non liés dont certains favorisant une décroissance via l’émission de deux neutrons. L’étude de la cinématique de la décroissance de ces états devrait révéler des informations importantes sur l’interaction neutron-neutron.
Ces travaux seront menées grâce à l’analyse de données issues d’expériences réalisées à RIKEN (Japon) et utilisant les dispositifs expérimentaux de pointe SAMURAI et MINOS (conçu et réalisé à l'IRFU) indispensables à l’étude de ces phénomènes.
The exploration of nuclei close to the dripline offers the unique opportunity to observe and study many phenomena not - or insufficiently - predicted by theory such as the appearance of neutron "halos" as well as the emergence of new magic numbers and the disappearance of those observed in nuclei close to stability.
The proposed internship topic is based on the study of these emerging phenomena in exotic nuclei and more precisely in the very neutron-rich 28F nucleus. This nucleus has recently been the subject of a study that has revealed numerous unbound states among which several ones decaying preferentially via the emission of two neutrons. The study of the kinematics of the decay of these states should reveal important information on the neutron-neutron interaction.
This work will be carried out through the analysis of data from experiments carried out in RIKEN (Japan) and using the advanced experimental devices SAMURAI and MINOS (designed and built at the IRFU) essential for the study of these phenomena.
Mots clés/Keywords
Interaction nucleaire, noyaux exotiques
Nuclear interaction, exotic nuclei
Compétences/Skills
Analyse de données à l'aide du logiciel Root
Data analysis with Root software
Logiciels
C++, Root
PDF
RECHERCHE DE LA DÉSINTÉGRATION NUCLÉAIRE EN DEUX PHOTONS
INVESTIGATION OF THE NUCLEAR TWO-PHOTON DECAY IN SWIFT FULLY STRIPPED HEAVY

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

KORTEN Wolfram
+33 1 69 08 42 72

Résumé/Summary
Ce stage concerne exclusivement les candidats qui sont intéressés par le même projet de thèse publié sur le site web de l'INSTN (voire lien externe c-dessous). Pendant le stage, le candidat commencera à travailler sur la bibliographie du sujet et la technique expérimentale.
This interim concerns exclusively candidats who are interested in the same thesis project published on the website of INSTN (see external link below). During the internship the candidate will start working on the bibliographie of the subject and the experimental technique.
Sujet détaillé/Full description
La désexcitation nucléaire en deux photons, c.à.d. la décroissance par émission de deux rayons gamma, est un mode de désexcitation rare du noyau atomique, au cours duquel un noyau excité émet deux rayons gamma simultanément pour revenir à l’état fondamental. Les noyaux pair-pair ayant un premier état excité 0+ sont des cas favorables pour rechercher la décroissance double gamma puisque l'émission d'un seul rayon gamma est strictement interdite pour les transitions 0+ -> 0+ par conservation du moment angulaire. Cette décroissance présente toujours un très petit rapport d’embranchement (<1E-4) en comparaison avec les autres modes de désexcitation possibles, soit par l'émission d'électrons de conversion interne (ICE) soit la création de paires positron-électron (e+-e-) (IPC). Nous utiliserons donc une nouvelle technique pour rechercher la décroissance double gamma: l’étude de la désexcitation d’un état isomérique 0+ de basse énergie dans les ions nus, c.-à-d. entièrement épluchés de leurs électrons atomiques. L'idée de base de l’expérience est de produire, sélectionner et stocker les noyaux dans leur état isomérique 0+ dans l’anneau de stockage de l’installation GSI en Allemagne. Lorsque le noyau est entouré du cortège électronique l'état 0+ excité est un état isomérique à durée de vie assez courte, de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de nanosecondes. Toutefois, aux énergies relativistes disponibles à GSI, tous les ions sont entièrement épluchés de leurs électrons atomiques et la désexcitation par ICE n'est donc pas possible. Si l'état d'intérêt est situé en dessous du seuil de création de paires, le processus IPC n'est pas possible non plus. Par conséquent, les noyaux nus sont piégés dans un état isomérique de longue durée de vie, qui ne peut se désintégrer que par émission de deux rayons gamma vers l'état fondamental. La désexcitation de l'isomère serait identifiée par spectroscopie de masse Schottky (SMS) à résolution temporelle. Cette méthode permet de distinguer l'isomère de l'état fondamental par la (très légère) différence de leur temps de révolution dans l’ESR, et d'observer la disparition du pic de l'isomère dans le spectre de masse aveI un temps de décroissance caractéristique. L'expérience pour rechercher la décroissance double gamma dans les isotopes 72Ge and 70Se a été accepté par le comité d'expériences de GSI et son réalisation est prévu en 2021/22.
The nuclear two-photon, or double-gamma decay is a rare decay mode in atomic nuclei whereby a nucleus in an excited state emits two gamma rays simultaneously. Even-even nuclei with a first excited 0+ state are favorable cases to search for a double-gamma decay branch, since the emission of a single gamma ray is strictly forbidden for 0+ -> 0+ transitions by angular momentum conservation. The double-gamma decay still remains a very small decay branch (<1E-4) competing with the dominant (first-order) decay modes of atomic Internal-Conversion Electrons (ICE) or Internal positron-electron (e+-e-) Pair Creation (IPC). Therefore we will make use of a new technique to search for the double-gamma decay in bare (fully-stripped) ions, which are available at the GSI facility in Darmstadt, Germany. The basic idea of our experiment is to produce, select and store exotic nuclei in their excited 0+ state in the GSI storage ring (ESR). For neutral atoms the excited 0+ state is a rather short-lived isomeric state with a lifetime of the order of a few tens to hundreds of nanoseconds. At relativistic energies available at GSI, however, all ions are fully stripped of their atomic electrons and decay by ICE emission is hence not possible. If the state of interest is located below the pair creation threshold the IPC process is not possible either. Consequently, bare nuclei are trapped in a long-lived isomeric state, which can only decay by double-gamma emission to the ground state. The decay of the isomers would be identified by so-called time-resolved Schottky Mass Spectroscopy. This method allows to distinguish the isomer and the ground state state by their (very slightly) different revolution time in the ESR, and to observe the disappearance of the isomer peak in the mass spectrum with a characteristic decay time. An experiment to search for the double-gamma decay in 72Ge and 70Se has already been accepted by the GSI Programme Committee and should be realised in 2021/22.
PDF
Solution Numérique d'électrodynamique quantique non-perturbative (QED)
Numerical solution to Non-perturbative Quantum Electro-Dynamics (QED)

Spécialité

Physique théorique, mécanique quantique

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 1

Unité d'accueil

Candidature avant le

09/05/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

MEZRAG Cédric
+33 1 69 08 87 19

Résumé/Summary
Le but du stage est de résoudre numériquement un système d'équations intégro-différentielles décrivant la manière dont l’électron d'un part, et le photon d'autre part, se propage dans le vide.
The aim of the internship is to numerically solve a system of integro-differential equations describing the way in which the electron on the one hand, and the photon on the other hand, propagates in vacuum.
Sujet détaillé/Full description
Le monde de la physique des particules se trouve à la confluence de deux grandes théories du XXe siècle : la relativité spéciale et la mécanique quantique. Une fois combinées, ces deux théories donnent naissance au cadre de la théorie quantique des champs, dont les développements les plus célèbres sont l'électrodynamique quantique (QED), la chromodynamique quantique (QCD) et la théorie électrofaible, ces deux dernières constituant le modèle standard des particules.
Bien que ces théories soient bien établies, dans le sens où leurs Lagrangiens sont connus, une solution algébrique reste hors de portée. Historiquement, les résultats n'ont été obtenus que par la théorie des perturbations, excluant le calcul des propriétés des états liés. Cela pose des difficultés. Par exemple, on ne peut accéder expérimentalement qu'aux états liés de la QCD (proton, noyau, pion...), les quarks et les gluons restant confinés dans ces derniers. Au cours des 20 dernières années, d'importants progrès ont été réalisés dans l'étude des propriétés des états liés en utilisant d'importantes simulations informatiques. Cependant, ces dernières sont réalisées dans l'espace euclidien, ce qui complique fortement l'étude de la région causale.
Pourtant, d'autres approches non perturbatives sont possibles. Parmi elles, les techniques du continuum basées sur la version quantique des équations d'Euler-Lagrange se révèlent prometteuses. Elles consistent en un ensemble infini d'équations intégrodifférentielles couplées, tronquées par des hypothèses physiques appropriées. Un nouvel ensemble de 6 équations intégrodifférentielles couplées a récemment été dérivé en collaboration avec l'université La Sapienza (Rome). Cet ensemble a la particularité d'être obtenu directement dans l'espace de Minkowski. Par conséquent, il pourrait déclencher de nouvelles études dans la région causale, qui était jusqu'à présent hors de portée des simulations informatiques.

Le candidat au stage se concentrera sur la construction d'un algorithme numérique capable de résoudre la version quantique des équations d'Euler-Lagrange dans la QED. L'objectif est de comprendre comment les fluctuations quantiques modifient la propagation des électrons et des photons dans le vide. Deux étapes sont envisagées :

1. Le système d'équations sera simplifié de telle sorte que les fluctuations modifiant la propagation des photons soient négligées. Le système est réduit de 6 à 4 équations, décrivant uniquement la propagation des électrons.

2. Si les résultats de la première étape sont prometteurs, la deuxième étape consistera à résoudre le système complet.

Au-delà des deux étapes décrites ici, le présent travail débloquerait la possibilité de calculer les propriétés des états liés dans la région causale. Je m'attends donc à ce que, en cas de succès, les études débouchent sur des publications et aient un impact significatif dans la communauté de la physique des hadrons.
The world of particle physics lies at the confluence of two major theories of the twentieth century : special relativity and quantum mechanics. Once combined, these two theories give birth to the framework of quantum field theory, whose most famous developments are quantum electro-dynamics (QED), quantum Chromodynamics (QCD) and electro-weak theory, the two latter composing the standard model of particles.
Although these theories are well established, in the sense that their Lagrangian are known, an algebraic solution remains out of reach. Historically, results were obtained only through perturbation theory, precluding the computations of bound states properties. This is certainly an issue, as for instance, one can only experimentally access bound-states of QCD (proton, nuclei, pion...) as quarks and gluons remain confined in the latter. In the last 20 years, important progresses have been done to study bound states properties using heavy computer simulations. However, the latter are performed in Euclidean space, strongly complicating the study of the causal region.
Yet, other non-perturbative approaches are possible. Among them, continuum techniques based on the quantum version of the Euler-Lagrange equations are promising. They consist in an infinite set of coupled intregro-differential equations truncated through appropriate physical assumptions. A new set of 6 coupled integro-differential equations has recently been derived in collaboration with the Universiy La Sapienza (Rome). This set has the particularity to be obtained directly in Minkowski space. Therefore, it could trigger new studies in the causal region, which was, until now, out of reach of computer simulations.

The internship candidate will focus on the construction of a numerical algorithm able to solve the quantum version of the Euler-Lagrange equations in QED. The goal is to figure out how the quantum fluctuations modify the propagation of the electrons and photons in the vacuum. Two steps are considered :

1. The set of equation will be simplified in such a way that the fluctuations modifying the photon propagation are neglected. The system is reduced from 6 to 4 equations, describing only the electron propagation.

2. If the results of the first step are promising, solving the full system will be the second step.

Beyond the two steps described here, the present work would unlock the possibility to compute bound-states properties in the causal region. I therefore expect that, if successful, the studies will lead to publications and will have a significant impact in the hadron physics community.
Mots clés/Keywords
Analyse numérique
Numerical analysis
Compétences/Skills
Solver numérique d'équation différentielles
Numerical solver of differential equations
Logiciels
C++

 

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