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Application d’analyses multivariées à l’étude de la réjection du bruit de fond dans l’expérience STEREO.
Application of multivariate analyses to the rejection of background for the STEREO experiment

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

15-04-2019

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

LHUILLIER David
+33 1 69 08 94 97

Résumé/Summary

L'expérience STEREO test l'existence possible d'un nouveau type de neutrino, le neutrino stérile, auprès du réacteur de recherche de l'ILL-Grenoble. Ce stage propose d'appliquer des analyses multivariées à l'amélioration de la rejection du bruit de fond, principal facteur limitant de la mesure.
The STEREO experiment tests the possible existence of a new type of neutrino, the sterile neutrino, at the ILL-Grenoble research reactor. This internship proposes to apply multivariate analyses to improve background noise rejection, the main limiting factor of the measurement.

Sujet détaillé/Full description

La prédiction des flux de neutrinos émis par les réacteurs nucléaires a été réévaluée à l’Irfu. Ce travail a mis en évidence un déficit du nombre moyen de neutrinos détectés dans une vingtaine d’expériences par rapport aux prédictions. Ce déficit pourrait s’interpréter comme un mélange des neutrinos de type « électroniques » émis par les réacteurs avec un nouveau type de neutrino dit « stérile », dont l’existence est un sujet très débattu dans la communauté scientifique internationale. Ce neutrino stérile, qui ne serait sensible qu’à gravité, ne rentre pas dans le cadre du modèle standard de la physique des particules. Sa découverte aurait un impact majeur pour la physique des particules et la cosmologie.
De nombreux projets ont vu le jour à travers le monde pour explorer cette hypothèse, et parmi ceux-ci le projet STEREO. Ce détecteur est actuellement installé à 10 m du cœur du réacteur de recherche de l’Institut Laue-Langevin (ILL), à Grenoble, et prend des données depuis mi-novembre 2016. La technologie de détection retenue est celle des liquides scintillants organiques largement répandue pour la détection des neutrinos de réacteur. Le détecteur est constitué de 6 cellules de détection identiques dans lesquelles est reconstruite la distribution en énergie des neutrinos [1]. Si le neutrino stérile existe, il doit se manifester par la signature unique d’une nouvelle figure d’oscillation : chaque spectre détecté sera déformé par rapport à la prédiction sans oscillation, et les minimum/maximum de cette déformation doivent évoluer d’une cellule à l’autre.

Ce stage propose à un(e) étudiant(e) de prendre une part active à l’analyse de l’expérience Stereo en testant des algorithmes de type réseaux de neurones ou arbres de décision pour l’optimisation du rapport signal sur bruit. Des études préliminaires ont montré le potentiel de ces approches mais l’analyse actuelle repose encore sur un jeu de coupures indépendantes, plus adapté à la maîtrise des incertitudes systématiques pour une première publication des résultats [2]. Les événements de bruit sont principalement induits par l’interaction des rayons cosmiques à proximité du détecteur et la sensibilité de la mesure STEREO dépend en premier lieu de leur réjection. Les tests des analyses multivariées proposés ici bénéficient des récents développements de STEREO :
• Plusieurs mois de données réacteur OFF, représentant un large échantillon de pur bruit de fond, sont à présent disponibles pour la phase d’apprentissage des algorithmes.
• La simulation GEANT4 de l’expérience reproduit avec précision la réponse du détecteur, permettant de générer un échantillon représentatif du pur signal neutrino et d’étudier l’impact de la sélection sur le signal. L’accent sera mis sur le fait que le réjection du bruit ne doit pas distordre le spectre en énergie des événements neutrinos.

Ce stage sera l'occasion pour un(e) étudiant(e) motivé(e) d'approfondir ses connaissances en physique du neutrino et physique des réacteurs, en détection par scintillation liquide et bien sur en techniques d’analyse. Il (elle) participera aux réunions hebdomadaires d’analyse ainsi qu’à un meeting de collaboration et sera amener à y présenter ses résultats L’étudiant(e) pourra compter sur le soutient de l’équipe du DPhN au CEA-Saclay (3 physiciens, 2 thésards) pour le former sur les codes d’analyse et de simulation, l’accompagner dans son travail et interagir le plus possible avec toutes les équipes de la collaboration (CEA-Saclay, Institut Laue-Langevin, CNRS-LAPP Annecy, CNRS-LPSC Grenoble, Max Plank Institut de Heidelberg). Un niveau master 2 est demandé pour ce stage et un sujet de thèse est proposé au DPhN dans la continuité du stage. Un bon niveau en programmation est souhaité.

[1] The STEREO experiment, N. Allemandou et al., JINST 13 (2018) no.07, 07.
[2] Sterile neutrino exclusion from the STEREO experiment with 66 days of reactor-on data, H. Almazán, arXiv:1806.02096, to be published in Phys. Rev. Lett.
The prediction of neutrino fluxes emitted by nuclear reactors has been reassessed at Irfu. This work revealed a deficit in the average number of neutrinos detected in many experiments compared to the predictions. This deficit could be interpreted as a mixing of the "electronic" neutrinos emitted by the reactors with a new type of neutrino called "sterile", whose existence is a subject much debated in the international scientific community. This sterile neutrino, which would only be sensitive to gravity, does not fit into the standard model of particle physics. Its discovery would have a major impact on particle physics and cosmology.
Several measurements have been launched around the world to explore this hypothesis, including the STEREO project. This detector is currently installed 10 m from the core of the research reactor of the the Laue-Langevin Institute (ILL) in Grenoble. It has been taking data since mid-November 2016. The detection technology used is that of organic liquid scintillators, which is widely used for the detection of reactor neutrinos. The detector consists of 6 identical detection cells in which the energy distribution of the neutrinos is reconstructed [1]. If sterile neutrinos exist, they must manifest by the unique signature of a new oscillation pattern: each detected spectrum will be deformed with respect to the non-oscillation prediction, and the minimum/maximum of this deformation must evolve from one cell to another.

This internship allows a student to take an active part in the analysis of the Stereo experiment by testing algorithms such as neural networks or decision trees to optimize the signal-to-noise ratio. Preliminary studies have shown the potential of these approaches, but the current analysis is still based on a set of independent cuts, better suited to controlling systematic uncertainties for a first publication of the results [2]. Background events are mainly induced by the interaction of cosmic rays in the vicinity of the detector and the sensitivity of the STEREO measurement depends primarily on their rejection. The tests of the multivariate analysis proposed here benefit from STEREO's recent developments:
- Several months of reactor-OFF data, representing a large sample of pure background events, are now available for the learning phase of the algorithms.
- The GEANT4 simulation of the experiment accurately reproduces the detector response, allowing a representative sample of the pure neutrino signal to be generated and the impact of the selection on the signal to be studied. Emphasis will be placed on the fact that noise rejection must not distort the energy spectrum of neutrino events.

This internship will be an opportunity for a motivated student to deepen his or her knowledge of neutrino and reactor physics, liquid scintillation detection and of course analysis techniques. He/she will participate in the weekly analysis meetings as well as a collaboration meeting and will be led to present his/her results. The student will be receive full support from the DPhN team at CEA-Saclay (3 physicists, 2 PhD students) to learn the analysis and simulation codes and interact as much as possible with all the STEREO collaboration team (CEA-Saclay, Institut Laue-Langevin, CNRS-LAPP Annecy, CNRS-LPSC Grenoble, Max Plank Institut de Heidelberg). A Master 2 level is required for this internship and a thesis subject is proposed at DPhN as a continuation of the internship. A good level of programming is desired.

1] The STEREO experiment, N. Allemandou et al, JINST 13 (2018) no.07, 07.
2] Sterile neutrino exclusion from the STEREO experiment with 66 days of reactor-on data, H. Almazán, arXiv:1806.02096, to be published in Phys. Lett. Rev.

Mots clés/Keywords

neutrino, physique des particules, réacteur, réseau de neurones
neutrino, particle physics, reactor, neural network

Compétences/Skills

Détection de neutrinos dans les liquides scintillants Réseaux de neurones Arbre de décision Analyses statistiques
Neutrino detection in liquid scintillators Neural network Decision tree Statistical analysis

Logiciels

Langage C++ Logiciels ROOT, GEANT4
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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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Mesure des performances d'une chambre à projection temporelle sans amplification gazeuse
Performance measurement of a temporal projection chamber without gaseous amplification

Spécialité

Physique corpusculaire des accélérateurs

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-05-2019

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

NEYRET Damien
+33 1 69 08 75 52

Résumé/Summary

Un projet de R&D a débuté à l'IRFU dans le but de développer une lecture directe des électrons primaires d'une chambre à projection temporelle (TPC) dénuée d'un étage d'amplification gazeuse. Cette lecture s'effectuera grâce à des circuits de lecture à très bas bruit IDeF-X et un plancher de lecture adapté. Un tel projet pourra intéresser par la suite plusieurs expériences. Le stagiaire travaillera à mettre en œuvre et mesurer les performances d'un prototype d'une telle TPC.
A R&D project started at IRFU aiming to develop a direct read-out of primary ionization electrons of a time projection chamber (TPC) without any gaseous amplification. This read-out will be done using very-low-noise IDeF-X chips and an adapted read-out board. Such a TPC read-out will be very interesting for several experiments. The student will test and evaluate the performance of the TPC prototype.

Sujet détaillé/Full description

Les chambres à projection temporelles (TPC) sont des volumes de gaz qui peuvent détecter les particules chargées les traversant grâce à la détection de l'ionisation du gaz qu'elles induisent. Les électrons d’ionisation dérivent grâce à un champ électrique jusqu'au bord de la chambre, et sont détectés à cet endroit le plus souvent avec des détecteurs gazeux, par exemple de type Micromegas. La mesure de la position de ces électrons et du temps pris par la dérive permet de reconstruire en 3 dimensions la trajectoire de la particule initiale. Dans ces détecteurs les électrons sont soumis à un champ électrique fort qui va provoquer un phénomène d'avalanche qui va fortement augmenter le nombre d'ionisations et induire un signal mesurable sur les électrodes de lecture. Cette méthode de lecture a montré de très bonnes performances en terme de résolution spatiale pour la reconstruction de la trajectoire des particules, cependant elle implique certaines contraintes qu'il n'est pas toujours possible de respecter. Ainsi le mélange gazeux utilisé dans la TPC doit pouvoir subir les phénomènes d'avalanches d'électrons de manière stable sans provoquer de décharges dans les détecteurs gazeux. De plus le phénomène d'amplification induit une dégradation de la mesure de l'énergie déposée par la particule initiale du fait de la variabilité statistique de ce phénomène.

Une étude sur un nouveau type de TPC, n'utilisant pas d'amplification gazeuse, a été lancée par notre groupe. L'objectif est de pouvoir détecter et mesurer directement les électrons primaires d'ionisation sur un plan de lecture adapté, grâce à une électronique de lecture à très bas bruit basée sur des circuits électroniques multi-canaux IDeF-X développés à l'Irfu. Le niveau de bruit de ces circuits étant directement lié à la capacité intrinsèque des électrodes de lecture, la taille de ces électrodes doit être la plus petite possible afin de limiter le bruit de lecture. Une telle TPC pourrait apporter un avantage important pour les expériences de désintégration double-beta comme PandaX-III qui demandent d'avoir une très bonne résolution en énergie déposée dans la TPC, ainsi que pour d'autres expériences qui nécessitent d'utiliser des gaz non-adaptés à une amplification gazeuse, tel que l'hydrogène. Un prototype de TPC gazeuse utilisant une telle électronique avec un plan de lecture adapté est en cours de développement à l'Irfu afin de démontrer la validité de cette solution et de mesurer les performances de détection.

Le stagiaire participera avec les physiciens de l'Irfu/DPhN du groupe PandaX-III ainsi qu'avec les ingénieurs de l'Irfu/Dedip à la mise en œuvre de ce prototype et à la mesure de ses performances pour différents mélanges gazeux. Après avoir testé la TPC 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 du détecteur, ainsi que la résolution spatiale de la TPC. 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, électronique de lecture
TPC, time projection chamber, gaseous detection, read-out electronics

Compétences/Skills

Analyses de données, analyse statistique, détecteurs gazeux, 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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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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Upgrades du spectromètre a muons de l’expérience ALICE au LHC
Upgrades of the ALICE Muon Spectrometer for the LHC Run 3

Spécialité

Physique corpusculaire des accélérateurs

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-04-2019

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

FERRERO Andrea
+33 1 69 08 75 91

Résumé/Summary

L’expérience ALICE au LCH mesure des collisions p-p, p-Pb et Pb-Pb aux énergies les plus hautes actuellement atteintes. L’étude combinée de ces collisions permettra d’explorer en détail le plasma de quark et gluons.
The ALICE experiment at the LHC measures p-p, p-Pb and Pb-Pb collisions at the highest ever energies. The combined measurement of such collisions will allow detailed studies of the quark-gluon plasma.

Sujet détaillé/Full description

Quelques microsecondes après le Big Bang l’Univers se trouvait dans un état de plasma de quarks et de gluons (QGP). Cet état, prédît par la Chromodynamique Quantique, la théorie de l’interaction forte, est atteint pour des températures ou des densités d’énergie très élevées, telles que celles atteintes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes au LHC au CERN. L’étude de la production des quarkonia, états liés de quarks lourds (charme c-cbar ou beauté b-bbar), est particulièrement pertinente pour comprendre les propriétés du QGP.
Les quarkonia sont des particules rares et lourdes produites aux premiers instants de la collision, avant la formation du QGP. Ceci en fait des sondes idéales du QGP. En le traversant, l’énergie de liaison de la paire quark/anti-quark serait écrantée par le champ de couleur des nombreux quarks et gluons du QGP, et les quarkonia peuvent être dissociées (suppression des quarkonia). Différents états quarkonia ayant différentes énergies de liaison, la probabilité de dissociation de chaque état sera différente (suppression séquentielle). De plus, si le nombre initial de paires quark/anti-quark est élevé, et si les quarks lourds thermalisent dans le QGP, alors des nouveaux quarkonia peuvent être crées par le QGP par recombinaison de quarks lourds. C’est le mécanisme de régénération. Au LHC, Upsilon (b-bbar) et J/psi (c-cbar) sont complémentaires, les premiers sont plus aptes pour étudier la suppression séquentielle, alors que les seconds permettent d’étudier la régénération (création de quarkonia par recombinaison des quarks du QGP). Les quarkonia sont mesurées à travers leur désintégration en paires de muons, qui sont reconstruits par le spectromètre a muons de l’expérience ALICE.
Suite à la prise des données du Run 1 et 2, le détecteur d’ALICE sera amélioré pour augmenter le taux d’interaction de 8 kHz à 50 kHz pour les collisions Pb-Pb. En combinaison avec un nouveau mode d’acquisition continu (sans déclenchement), cela permettra pendant le Run 3 et 4 d’enregistrer une statistique de collisions d’ions lourds d’environ 100 fois supérieure à celle du Run 1 et 2.
Le groupe du CEA-Saclay assume un rôle moteur dans les projets d’upgrade de l’expérience ALICE, spécifiquement pour le système de traçage des particules du spectromètre à muon. En particulier, un nouveau système de détecteurs au silicium sera ajouté au set-up actuel, et l’électronique de lecture des détecteurs existants sera adaptée au plus haut taux d’interaction prévu pour le Run 3 et 4.
L’étudiant(e) travaillera sur la nouvelle électronique de lecture du spectromètre à muons. L’étudiant(e) devra contribuer à l’algorithme de suppression de zéro en ligne, basé sur des puces FPGA, ainsi qu’à la caractérisation globale de la chaine de lecture. En plus, l’étudiant(e) pourra travailler sur le filtrage et le regroupement en ligne des données brutes en provenance des détecteurs, ce qui aura un rôle critique en raison des taux d’interaction plus élevés du Run 3 et 4.
Pendant le travail de stage, l’étudiant(e) se familiarisera avec les différents détecteurs d’ALICE et l’électronique de lecture associée, ainsi que les logiciels de reconstruction online/offline et d’analyse des données de la collaboration. Le travail impliquera de fréquents voyages au CERN.
A few micro-seconds after the Big Bang, the Universe consisted of an extremely hot and dense mixture of quasi-free elementary particles, the quark-gluon plasma (QGP). Such state is predicted by Quantum Chromodynamics, which is the theory of strong interactions, and should be formed at very high temperatures and/or energy densities. Such extreme conditions can be reached in ultra-relativistic heavy ion collisions at the LHC at CERN.
Among the various QGP observables, the study of hadrons with heavy-flavour quarks (charm c or beauty b) and quarkonia (c-cbar or b-bbar bound states) is particularly important to understand the properties of the QGP.
Quarkonia are rare and heavy particles which are produced in the initial stages of the collision, even before the QGP is formed, and are therefore ideal probes of the plasma properties. As they traverse the hadronic matter, the binding of quark/anti-quark pairs will get screened by the color field of the many free quarks and gluons in the QGP, and the quarkonium states might be dissociated. This color screening mechanism therefore leads to the quarkonia suppression in the QGP. Since the various quarkonium states have different binding energies, each state will have a different probability of being dissociated. This results in a sequential suppression pattern of the quarkonium states. Additionally, if the initial number of produced quark/anti-quark pairs is large enough and if heavy quarks do thermalise in the QGP, then new quarkonia could be produced in the QGP by recombination of heavy quarks. This mechanism is known as regeneration. At the LHC, Upsilon (b-bbar) and J/psi (c-cbar) are complementary. The former is thought to be more suited to address the sequential suppression, while the latter should allow to study possible regeneration mechanisms. Quarkonia are measured via their dimuon decay channel with the muons being reconstructed in the muon spectrometer of ALICE, the LHC experiment devoted to the study of heavy-ion collisions.
Following the successful Run1+2 data taking, the ALICE apparatus will be upgraded to increase the interaction rate capabilities from 8 kHz to 50 kHz for Pb-Pb collisions. Combined with a novel self-triggered data acquisition mode, this will result in a statistics of heavy-ion collisions for Run 3/4 roughly 100 times larger than Run 1/2. The CEA-Saclay group is taking a leading role in the ALICE upgrade projects, specifically for the particle tracking in the muon spectrometer. In particular, a new silicon-based forward tracker (MFT) will be added to the existing apparatus, and the readout electronics of the existing detectors will be upgraded to cope with the increased interaction rate.
The student will work on the novel readout electronics for the tracking detectors of the ALICE muon spectrometer. The student is expected to contribute to the online zero-suppression logic based on state-of-the-art Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), and to the overall characterization of the readout chain. In addition, the student will have the possibility to work on the online hit clustering and filtering, which will play a critical role at the higher interaction rates of Run 3.
During this work the student will become familiar with the ALICE detectors and associated readout electronics, as well as the online/offline reconstruction and data analysis software of the ALICE Collaboration. The work implies frequent travels to CERN.

Mots clés/Keywords

Physique nucléaire, Chromodynamique quantique, ALICE, LHC, Plasma quark-gluon
Nuclear physics, Quantum chromodynamics, ALICE, LHC, Quark-gluon plasma

Compétences/Skills

Détecteurs gazeux proportionnels a multi-fils, électronique de lecture de détecteurs gazeux, systèmes d'acquisition des données, traitement et filtrage des données
Multi-qire proportional chambers, readout electronics for gaseous detectors, data acquisition systems, analysis and filtering of detector response

Logiciels

C++, Programmation a objets, ROOT

 

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