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Développement d’une source de rayons gamma de haute énergie induits par captures neutron pour la calibration de scintillateurs et bolomètres.
Development of a source of high energy gamma rays induced by neutron capture for the calibration of scintillators and bolometers.

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

05/04/2021

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

LHUILLIER David
+33 1 69 08 94 97

Résumé/Summary
Le(a) stagiaire sera en charge de mettre au point, par simulation et tests sur site, une source de gammas de 5 à 7 MeV basée sur le blindage et la collimation d'une source de 252Cf. Des applications directe dans les projets neutrinos en cours au DPhN sont attendues.
The student will be in charge of developing, through simulation and on-site testing, a 5 to 7 MeV gamma source based on the shielding and collimation of a 252Cf source. Direct applications in ongoing neutrino projects at the DPhN are expected.
Sujet détaillé/Full description
La compréhension de la réponse en énergie d’un détecteur est un facteur déterminant de la précision finale d’une mesure. Ce stage a pour objectif de développer un outil de calibration produisant des raies gamma dans la gamme de 5 à 7 MeV, nettement au-dessus des sources usuellement disponibles. Cet outil s'inscrira dans le développement d'une méthode de calibration innovante des détecteurs dédiés à la recherche de la matière noire et de la diffusion cohérente des neutrinos. Le travail de stage se fera en deux temps : la production d’un faisceau de neutrons thermiques à partir d’une source de 252Cf, la production et détection de gammas de haute énergie par capture de ces neutrons.

Les neutrons thermiques seront produits avec une source de neutrons de fission (252Cf) et un ensemble modérateur/blindage à optimiser par le stagiaire. Cet ensemble servira à : 1/ Thermaliser les neutrons émis par le 252Cf, c’est-à-dire réduire leur l’énergie initiale (de l’ordre du MeV) jusqu’à une énergie correspondant à l’agitation thermique du milieu ambiant (25 meV à 20°C). 2/ Absorber la majorité des rayons gamma prompts de fission afin de réduire le taux de comptage dans le détecteur que l’on veut calibrer. 3/ Conduire les neutrons thermalisés sur une cible métallique dédiée afin d’induire des captures qui produisent les gamma de haute énergie recherchés par désexcitation radiative.
Le(a) stagiaire aura en charge les études de simulation avec le logiciel GEANT4 permettant de définir la géométrie et les matériaux de l’ensemble modérateur/blindage à placer autour de la source de 252Cf. Des tests de validation seront menés sur site avec la réalisation et la mise en place de la configuration définie par le stagiaire. La validation de l’émission de gamma de haute énergie et la détermination du niveau de bruit de fond seront effectués avec un détecteur germanium ou un scintillateur inorganique.
L’environnement software de la simulation existe déjà et ne requiert pas de compétence poussée en informatique. L’analyse des résultats de ces simulations sera faite avec le logiciel ROOT ( https://root.cern ) qui sera aussi utilisé pour l’analyse des mesures. L’étudiant(e) pourra être force de propositions, tester ses propres idées et il (elle) aura un aperçu complet d’un travail de développement expérimental.
A terme cet outil de calibration aura des applications directes sur plusieurs programmes expérimentaux du département, notamment en physique des neutrinos avec la calibration de liquide et plastiques scintillants à haute énergie ainsi que la calibration de bolomètres pour la diffusion cohérente de neutrinos sur les noyaux. Le stage se déroulera en étroite collaboration avec le département de physique des particules de Saclay et en lien avec les collaborations franco-allemandes des expériences STEREO et NUCLEUS.
Understanding the energy response of a detector is crucial for the final accuracy of a measurement. The objective of this internship is to develop a calibration tool producing gamma lines in the range of 5 to 7 MeV, well above the commonly available sources. This tool will be part of the development of an innovative calibration method for future detectors dedicated to the search for dark matter and coherent neutrino scattering. The internship work will be done in two stages: the production of a beam of thermal neutrons from a 252Cf source, the production and detection of high-energy gammas by capturing these neutrons.

The thermal neutrons will be produced with a fission neutron source (252Cf) and a moderator/shielding assembly to be optimized by the student. This assembly will be used to : 1/ Thermalize the neutrons emitted by the 252Cf, i.e. reduce their initial energy (of the order of MeV) to an energy corresponding to the ambiant thermal agitation (25 meV at 20°C). 2/ Absorb the majority of the fission prompt gamma rays in order to reduce the counting rate in the detector to be calibrated. 3/ Conducting the thermalized neutrons on a dedicated metallic target in order to induce captures that produce the desired high-energy gamma rays by radiative de-excitation.

The(a) student will be in charge of the simulation studies with the GEANT4 software allowing to define the geometry and materials of the moderator/shielding assembly to be placed around the 252Cf source. Validation tests can then be carried out on site with the realization and implementation of the simulated configuration. The validation of the high energy gamma emission and the determination of the background level will be carried out with a germanium detector or an inorganic scintillator.
The software environment for the simulation already exists and does not require advanced computer skills. The analysis of the results of these simulations will be done with the ROOT software ( https://root.cern ) which will also be used for the analysis of the measurements. The student will be able to propose and test his/her own ideas and will have a complete overview of experimental development work.
Eventually this calibration tool will have direct applications on several of the department's experimental programs, notably in neutrino physics with the calibration of liquid and plastic scintillators at high energy as well as the calibration of bolometers for the coherent diffusion of neutrinos on nuclei. The internship will take place in close collaboration with the Particle Physics Department of Saclay and in connection with the French-German collaborations of the STEREO and NUCLEUS experiments.
Mots clés/Keywords
neutronique, physique nucléaire, physique des particules
neutron physics, nuclear physics, particle physics
Compétences/Skills
Optimisation de transport neutrons Analyses statistiques Déconvolution de spectres gamma
Optimisation of neutron propagation Statistical analyses Unfolding of gamma spectra
Logiciels
Langage C++ Logiciels ROOT, GEANT4
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Étude du bruit de fond induits par les muons pour la mesure de la diffusion cohérente de neutrinos par l’expérience NUCLEUS.
Study of the muon-induced background for the measurement of coherent neutrino scattering by the NUCLEUS experiment.

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

05/04/2021

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

LHUILLIER David
+33 1 69 08 94 97

Résumé/Summary
Ce stage propose le montage et le test sur site du véto-muon de l'expérience NUCLEUS (diffusion cohérente neutrino-noyau) ainsi qu'un travail de simulation des événements rares de bruit de fond non rejetés par ce véto.
This internship proposes the assembly and on-site testing of the veto-muon of the NUCLEUS experiment (neutrino coherent scattering off nuclei) as well as a work of simulation of the rare background events not rejected by this veto.
Sujet détaillé/Full description
L’expérience NUCLEUS a pour objectif de réaliser la première détection de la diffusion cohérente des neutrinos de réacteur sur les noyaux atomiques. La section efficace d’interaction de ce processus est des ordres de grandeurs plus grande que celle de la désintégration béta-inverse utilisée jusqu’à présent par toutes les expériences. La première mesure, réalisée avec interaction se réduit à un infime recul d’un noyau. Dans le cas de NUCLEUS la gamme d’énergie des reculs recherchés est autour de 100 eV seulement mais les bolomètres de saphir et de CaW04 qui seront utilisés atteignent aujourd’hui des seuils de détection de 20 eV. L’installation de l’expérience aura lieu en 2022 à 100 m des deux cœurs de la centrale EDF de Chooz dans les Ardennes. La mesure précise de ce couplage encore inexploré des neutrinos avec la matière offre des perspectives uniques de recherche d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard.
Les performances intrinsèques des bolomètres étant déjà démontrées, un des principaux challenges de la mesure sera de des neutrinos de plus haute énergie issus d’un faisceau accéléré, ne date pourtant que de 2017 car la signature de cette rejeter les bruits de fond à un niveau nettement en-dessous du faible taux de comptage neutrino attendu, de l’ordre de 1/jour pour la première phase de NUCLEUS avec 10g de cible. Notre institut est en charge du véto muon de l’expérience, un blindage actif autour du détecteur central qui doit signer le passage à proximité du détecteur des rayons cosmiques, principale source de bruit de fond. Une partie expérimentale du stage consistera à participer au montage des modules de ce véto muons et à valider leurs performances à l’aide d’un banc de test installé sur site en vue d’un montage à blanc complet de l’expérience en automne 2021. La technologie employée est celle de panneaux de plastique scintillant dont la lumière est extraite par des fibres optiques connectées à des Silicon-Photomultipliers.
La sensibilité de la mesure NUCLEUS dépendra en grande partie du bruit de fond résiduel non vu par ce véto. Un important travail de simulation doit donc être mené en parallèle pour traquer les processus rares déjouant les techniques de réjection prévues. Il est proposé de tester des techniques de biaisage permettant une réduction drastique du temps CPU pour l’étude de phénomènes rares induits par l’interaction des rayons cosmiques avec l’environnement immédiat des détecteurs. Ces événements rares pourront être la création d’isotopes instables dans les blindages ou la production de neutrons rapides à l’extérieur du véto muon. La méthode de réduction de variance qui sera utilisée a été récemment développée au DPhN, et consiste à favoriser la simulation des canaux de réactions contribuant majoritairement à la mesure du signal et des bruits de fond. Les classes de bruit de fond étudiées étant communes à un large programme expérimental de mesures neutrino ou de recherche de matière noire, l’impact de ce type de développement est potentiellement fort.
Ce travail offre une large vision des différents aspects expérimentaux d’une mesure neutrino. Il se fera en étroite collaboration avec le département de physique des particules (IRFU-DPhP) dans le cadre de la collaboration internationale de NUCLEUS. Des aptitudes pour la programmation sont préférables mais non obligatoires. Une thèse est proposée dans la continuité de ce stage sur l’expérience NUCLEUS.
The objective of the NUCLEUS experiment is to carry out the first detection of the coherent diffusion of reactor neutrinos on nuclei. The effective cross-section of interaction of this process is orders of magnitude larger than the beta-inverse decay used by all experiments so far. However the first measurement, carried out with higher energy neutrinos from an accelerated beam, dates only from 2017 only because the signature of this interaction is reduced to a tiny recoil of a nucleus. In the case of NUCLEUS, the energy range of the desired recoil is only around 100 eV, but the sapphire and CaW04 bolometers that will be used currently reach detection thresholds of 20 eV. The installation of the experiment will take place in 2022 at 100 m from the two cores of the EDF power plant of Chooz in the Ardennes. The precise measurement of this as yet unexplored coupling of neutrinos with matter offers unique prospects for the search for new physics beyond the standard model.
As the intrinsic performance of the bolometers has already been demonstrated, one of the main remaining challenges of the measurement will be to reject the background level well below the expected low neutrino counting rate, of the order of 1/day for the first phase of NUCLEUS with 10g of target. Our institute is in charge of the muon veto of the experiment. This active shielding placed around the central detector is meant to tag the cosmic-rays, the main source of background. An experimental part of the internship will consist in taking part in the assembly of the modules of this muon veto and in validating their performances with the help of a test bench installed on site in preparation of a complete blank assembly of the experiment in autumn 2021. The technology used is that of panels of plastic scintillator whose light is extracted by optical fibers connected to Silicon-Photomultipliers.
The sensitivity of the NUCLEUS measurement will depend largely on the residual background not seen by the muon veto. An important simulation work must therefore be carried out in parallel to track down the rare processes that thwart the planned rejection techniques. It is proposed to test numerical techniques allowing a drastic reduction of CPU time for the study of rare phenomena induced by the interaction of cosmic rays with the immediate environment of the detectors. These rare events could be the creation of unstable isotopes in the shielding or the production of fast neutrons outside the muon veto. The variance reduction method that will be used has recently been developed at the DPhN, and consists of simulating the reaction channels that contribute most to the measurement of the signal and background noise. The backgrounds studied being common to a large experimental program of neutrino measurements or dark matter research, the impact of this type of development is potentially strong.
This work offers a broad view of the different experimental aspects of a neutrino measurement. It will be done in close collaboration with the Department of Particle Physics (IRFU-DPhP) in the framework of the international collaboration of NUCLEUS. Programming skills are preferred but not mandatory.
A thesis is proposed on the NUCLEUS experiment as a continuation of this internship.
Mots clés/Keywords
neutrino, physique nucléaire, physique des particules, simulation
neutrino, nuclear physics, particle physics, simulation
Compétences/Skills
Détection par plastiques scintillants couplés à des fibres optiques. Calibration et suivi en temps de la réponses de SiPMs. Techniques de réduction de variance pour la simulation d'événements rares.
Detection in plastic scintillators coupled with optical fibers. Calibration and monitoring of SiPMs response. Variance reduction techniques for the simulation of rare events.
Logiciels
C++ GEANT4 root
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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.

 

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