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Détecteurs Imagerie TEP, temps de vol et haute résolution spatiale
Detectors for time-of-flight PET imaging with high spatial resolution

Spécialité

Instrumentation

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-01-2020

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Yvon Dominique
+33 1 69 08 36 25

Résumé/Summary

Dans ce stage, nous proposons de contribuer à un détecteur ambitieux basé sur les cristaux de Cherenkov / Scintillation pour la tomographie par émission de positrons. Le stage consistera à mesurer les propriétés de cristaux scintillantes, en utilisant des technologies de détection de particules avancées: photomultiplicateur à micro-canaux , des amplificateurs gigahertz et des modules d'acquisition de données rapide. Le traitement des données impliquera des simulations de Monté-Carlo et l'analyse des données.
In this internship we propose to contribute to an ambitious detector based on Cherenkov/Scintillating crystals for Positron emission tomography. The internship will consist in measuring the properties of scintillating crystals, using advanced particles detector technologies: micro-channel plate photomultipliers, gigahertz bandwidth amplifiers and fast data acquisition modules. Data processing will involve Monté-Carlo simulations and data analysis.

Sujet détaillé/Full description

Positron emission tomography (PET) is a nuclear imaging technique widely used in oncology and neurobiological research. Decay of the radioactive tracer emits positrons, which annihilate in the nearby tissue. Two gamma quanta of 511 keV energy are produced by positron annihilation and allow one to reconstruct the annihilation vertex and distribution of the tracer activity in the body of the patient.
The precise determination of the position of the positron annihilation vertex is important for an accurate image reconstruction with a good contrast. In particular, it is useful for neuroimaging studies of brain and for pre-clinical studies with animal models (rodents). In this thesis we propose to contribute to an ambitious detector based on Cherenkov/Scintillating crystals. We have selected technologies that are particularly effective for PET imaging. The principles of the detector are patented. They will allow one to produce neurological PET with highly improved performances. The internship will consist in measuring the properties of scintillating crystals, using advanced particles detector technologies: micro-channel plate photomultipliers, gigahertz bandwidth amplifiers and fast data acquisition modules (WaveCatcher, SAMPIC). Data processing will involve Monté-Carlo simulations and data analysis based on GATE/Geant4 and Root C++ software libraries.

The successful candidate will work in the Department of Particle Physics of IRFU in close collaboration with the Department of Electronics Detectors and Computer Science for Physics. The CaLIPSO group includes two physicists and two students, with the support of IRFU/DEDIP. We collaborate closely with CNRS-LAL on fast readout electronic, with CPPM of Marseille and CEA-SHFJ, for simulations of medical imaging devices and image reconstruction algorithms, and with the University of Munster (Germany).

Requirements:
Knowledge in physics of particle interaction with matter, radioactivity and particle detector principles are mandatory. A vocation for instrumental (hardware) work, data analysis and the will to go on with a PhD will be considered as an asset. Being comfortable in programming, having a background in Gate/Geant4 simulation and C++ will be welcomed.

Acquired Skills:
You will acquire skills in particle detector instrumentation, simulation of ionizing radiation detectors, photo-detection, implementation, operation of fast digitizing electronics, and data analysis.
Positron emission tomography (PET) is a nuclear imaging technique widely used in oncology and neurobiological research. Decay of the radioactive tracer emits positrons, which annihilate in the nearby tissue. Two gamma quanta of 511 keV energy are produced by positron annihilation and allow one to reconstruct the annihilation vertex and distribution of the tracer activity in the body of the patient.
The precise determination of the position of the positron annihilation vertex is important for an accurate image reconstruction with a good contrast. In particular, it is useful for neuroimaging studies of brain and for pre-clinical studies with animal models (rodents). In this thesis we propose to contribute to an ambitious detector based on Cherenkov/Scintillating crystals. We have selected technologies that are particularly effective for PET imaging. The principles of the detector are patented. They will allow one to produce neurological PET with highly improved performances. The internship will consist in measuring the properties of scintillating crystals, using advanced particles detector technologies: micro-channel plate photomultipliers, gigahertz bandwidth amplifiers and fast data acquisition modules (WaveCatcher, SAMPIC). Data processing will involve Monté-Carlo simulations and data analysis based on GATE/Geant4 and Root C++ software libraries.

The successful candidate will work in the Department of Particle Physics of IRFU in close collaboration with the Department of Electronics Detectors and Computer Science for Physics. The CaLIPSO group includes two physicists and two students, with the support of IRFU/DEDIP. We collaborate closely with CNRS-LAL on fast readout electronic, with CPPM of Marseille and CEA-SHFJ, for simulations of medical imaging devices and image reconstruction algorithms, and with the University of Munster (Germany).

Requirements:
Knowledge in physics of particle interaction with matter, radioactivity and particle detector principles are mandatory. A vocation for instrumental (hardware) work, data analysis and the will to go on with a PhD will be considered as an asset. Being comfortable in programming, having a background in Gate/Geant4 simulation and C++ will be welcomed.

Acquired Skills:
You will acquire skills in particle detector instrumentation, simulation of ionizing radiation detectors, photo-detection, implementation, operation of fast digitizing electronics, and data analysis.

Mots clés/Keywords

TEP, detecteur gamma
PET, gamma detectors

Compétences/Skills

You will calibrate and use the instrument for the measurement of the scintillating crystal properties and analyze the measured data. This will involve many aspects of the work of an instrument scientist : fast photo-detection, fast electronics read-out (analog and digital) with picosecond precision, hardware and detector simulations with GEANT4 and GATE software.
You will calibrate and use the instrument for the measurement of the scintillating crystal properties and analyze the measured data. This will involve many aspects of the work of an instrument scientist : fast photo-detection, fast electronics read-out (analog and digital) with picosecond precision, hardware and detector simulations with GEANT4 and GATE software.

Logiciels

C++, ROOT, GEANT4, GATE
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Etude de l'inflation avec des galaxies et des quasars dans DESI
Studying inflation with galaxies and quasars in DESI

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

02-04-2020

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

YECHE Christophe
+33 1 69 08 70 50

Résumé/Summary

Le relevé spectroscopique, DESI, dont les observations débuteront à l’automne 2019, va réaliser une carte à 3D de l'Univers en utilisant comme traceur de la matière des galaxies et des quasars. L'étude des non-gaussianités de ces deux distributions permettra de contraindre les différents modèles d'inflation.
The spectroscopic survey, DESI, whose observations begin in fall 2019, will create a 3D map of the Universe using galaxies and quasars as tracers of the matter. The study of the non-Gaussianities of these two distributions will allow us to constrain the different models of inflation.

Sujet détaillé/Full description

Les structures observables dans l’Univers à grande échelle (LSS pour Large-Scale Structures) proviennent de la croissance, sous l’effet de la gravitation, de petites fluctuations primordiales de densité. Selon le paradigme le plus communément admis, ces fluctuations de densité auraient été engendrées lors d’une phase initiale d’inflation cosmique. La mesure des propriétés statistiques des LSS permet d’étudier la physique en œuvre lors de l’inflation. En particulier, la contribution d’une petite composante non-Gaussienne dans la distribution majoritairement Gaussienne de ces fluctuations diffère d’un modèle à l’autre. L’étude des non-Gaussianités primordiales (PNG pour primordial non-Gaussianity) est ainsi un outil de choix pour sonder l’inflation.

Notre stratégie pour étudier les PNG consiste à utiliser un relevé spectroscopique, DESI, dont les observations débuteront à l’automne 2019. Les LSS seront mesurées avec deux traceurs différents de la matière : des quasars d'une part, et des galaxies jeunes (ELG pour emission-line galaxy) en pleine phase de formation stellaire, d'autre part. Ces deux traceurs nous permettent de couvrir une large plage en redshift allant de 0.6 à 2.5.

DESI est un grand relevé spectroscopique qui observera plusieurs dizaines de millions de galaxies et de quasars en 5 ans sur une large fraction du ciel. Les observations auront lieu au télescope Mayall de 4 m en Arizona. L'instrument, composé de 10 spectrographes, sera mis en service à la fin de l'année 2019. Les observations réalisées au début de l'année 2020 permettront de valider le spectrographe, la sélection des quasars et galaxies à spectrer et finalement la stratégie d’observation. Cette période de validation, dont notre groupe à Saclay a la responsabilité, est cruciale pour la suite du projet. En particulier, des choix conditionnant la mesure des PNG devront être pris. A partir de l’été 2020, le projet débutera une période d’observations sans interruption qui durera 5 ans.

Au cours de son stage de M2, l’étudiant participera à la mise en service du nouvel instrument et à la validation du relevé. En particulier, il sera responsable de la validation de la sélection des objets ELG et quasar dont le spectre sera mesuré avec DESI. Il étudiera toutes les sources possibles de biais dans la sélection qui pourraient contaminer un signal cosmologique. En particulier, cette étude des effets systématiques potentiels est fondamentale pour la mesure des non-gaussianités. Ce stage pourra être poursuivi par une thèse dont le financement (CFR Projet Phare) est d’ores-et-déjà assuré.

DESI est une collaboration internationale regroupant plusieurs centaines de scientifiques. Les réunions de collaboration ont lieu deux ou trois fois par an alternativement en Europe et aux USA, et donneront au doctorant l’occasion de rencontrer les autres membres de DESI et de présenter régulièrement l’avancement de ses travaux. Le doctorant sera amené à travailler plus particulièrement au cours de sa thèse avec le laboratoire de LBNL (Berkeley, USA) et l’Université de Berkeley (UCB). Il assurera aussi des observations auprès du télescope Mayall à Kitt Peak dans l’Arizona.

Le groupe de cosmologie du CEA-Saclay Irfu/DPhP étudie les amas de galaxies, l’énergie noire et la matière noire ainsi que les effets de la gravitation à des échelles cosmologiques. Il a aussi une activité sur l’étude de l’univers primordial à travers la masse des neutrinos et l’inflation. Le groupe comprend une dizaine de chercheurs permanents et autant de doctorants et post-doctorants.
The Large Scale Structures (LSS) of the Universe come from the growth, under the effect of gravitation, of small primordial fluctuations of density. According to the most commonly accepted paradigm, these density fluctuations would have been generated during an initial phase of cosmic inflation. The measurement of the statistical properties of LSS makes it possible to study the physics involved during inflation. In particular, the contribution of a small non-Gaussian component in the predominantly Gaussian distribution of these fluctuations differs from one model to another. The study of the Primordial Non-Gaussianities (PNG) is thus a tool of choice to probe inflation.

Our strategy for studying PNGs is to use a spectroscopic survey, DESI, whose observations begin in fall 2019. The LSS will be measured with two different tracers of the matter: quasars on the one hand, and young galaxies (ELG for emission-line galaxy) in the process of intense star formation, on the other hand. These two tracers allow us to cover a wide redshift range from 0.6 to 2.5.

DESI is a large spectroscopic survey that will observe tens of millions of galaxies and quasars during 5 years over a large fraction of the sky. The observations will take place at the 4-meter Mayall telescope in Arizona. The instrument, composed of 10 spectrographs, will be commissioned at the end of 2019. Observations made at the beginning of the year 2020 will assess the quality of the spectrograph, validate the selection of quasars and galaxies whose spectra will be measured and finally will allow us to finalize the observation strategy. This validation period, which is under the responsibility of our group at Saclay, is crucial for the rest of the project. In particular, choices conditioning the measurement of PNGs will have to be made. Starting in summer of 2020, the project will begin uninterrupted observations for the next 5 years.

During his/her M2 internship, the student will participate in the commissioning of the new instrument and the survey validation. In particular, he/she will be responsible for validating the selection of ELG and quasars whose spectrum will be measured with DESI. He/she will study all possible sources of bias in the selection that could contaminate a cosmological signal. In particular, this study of potential systematic effects is fundamental for the measurement of non-Gaussianities. This internship can be pursued by a PhD whose funding (CFR Project Phare) is already ensured.

DESI is an international collaboration bringing together several hundred scientists. Collaboration meetings take place two or three times a year alternately in Europe and in the USA. These will give the PhD student the opportunity to meet the other members of DESI and to regularly present the progress of his/her work. The doctoral student will work especially during his/her thesis with the laboratory of LBNL (Berkeley, USA) and the University of Berkeley (UCB). He/she will also observe at the Mayall telescope in Kitt Peak, Arizona.

The CEA-Saclay Irfu/DPhP cosmology group studies galaxy clusters, dark energy and dark matter as well as the effects of gravitation at cosmological scales. It also has an activity on the study of the primordial universe through the mass of neutrinos and inflation. The group includes about ten permanent researchers and as many PhD and post-doctoral students.

Mots clés/Keywords

Cosmologie, inflation,
Cosmology, inflation, Large Scale Structures

Compétences/Skills

- Méthode de machine d'apprentissage supervisé - Fonction de corrélations, spectre de puissance
- Machine learning - Correlation function - Power spectrum - Bispectrum

Logiciels

- Python
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Étude de la variabilité spectro-temporelle du noyaux actif de galaxie PKS 2155-304
Study of the spectro-temporal variability of the PKS 2155-304 active galactic nucleus

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

08-05-2020

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BRUN François
+33 1 69 08 32 47

Résumé/Summary

Le but du stage est de développer une nouvelle méthode d'analyse de données pour caractériser la variabilité simultanée temporelle et spectrale du noyaux actif de galaxie PKS 2155-304 vue par le réseau H.E.S.S. de télescopes Cherenkov.
The goal of the internship is to develop a new data analysis method to characterize the simultaneous temporal and spectral variability of the active galaxy nucleus PKS 2155-304 as seen by the H.E.S.S. array of Cherenkov telescopes.

Sujet détaillé/Full description

H.E.S.S. est un réseau de télescopes Tcherenkov pour l’astronomie gamma de très haute énergie situé en Namibie. Cet instrument détecte des photons gamma d'énergie supérieure à quelques dizaines de GeV et permet d'étudier les processus d’accélération au sein d’objets aussi variés que les vestiges de supernova ou les noyaux actifs de galaxies. Par ce biais, H.E.S.S. vise notamment à répondre à la question centennaire de l'origine des rayons cosmiques.

Dans cette optique, les phénomènes transitoires sont particulièrement intéressants. L'étude des émissions variables (transitoires ou périodiques), que ce soit en direction du Centre Galactique ou de noyaux actifs de galaxies (AGN) lointains permet de mieux comprendre les processus d'émissions à l'œuvre au sein de ces sources, de caractériser le milieu dans lequel les photons se propagent mais également de tester la validité de certaines lois physiques fondamentales comme l’invariance de Lorentz.

Le sujet de stage proposé ici porte sur l'étude de la variabilité du noyaux actif de Galaxie PKS 2155-304. Cette source, présente des variations extrêmes de flux au TeV sur des échelles de temps très courtes (~ 1 minute) qui permettent d'envisager des études temps-fréquence pour tester l'invariance de Lorentz. Le but du stage est de développer une nouvelle méthode d'analyse de données pour caractériser la variabilité simultanée temporelle et spectrale de cette source de photons gamma de très haute énergie. Si le travail se poursuit en thèse, il pourra être étendu à d'autres sources et à l'étude de l'ensemble des données du plan Galactique.

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Bibliographie :
[1] VHE gamma-ray emission of PKS 2155-304 : spectral and temporal variability, Collaboration H.E.S.S., Astronomy & Astrophysics (2010)
[2] Search for Lorentz invariance breaking with a likelihood fit of the PKS 2155-304 flare data taken on MJD 53944, Collaboration H.E.S.S., Astroparticle Physics (2011)
[3] The 2012 flare of PG 1553+113 seen with H.E.S.S. and Fermi-LAT: Constraints on the source redshift and Lorentz invariance violation, Collaborations H.E.S.S. et Fermi, Astrophysical Journal (2015)
H.E.S.S. is an array of imaging atmospheric Cherenkov telescopes for very high energy gamma astronomy located in Namibia. This instrument detects gamma-rays above a few tens of GeV that makes it possible to study the processes of charged particles acceleration within objects as diverse as supernova remnants or active galactic nuclei. Through this, H.E.S.S. aims in particular at answering the century-old question of the origin of cosmic rays.

In this context, transient phenomena are particularly interesting. The study of these variable emissions (transient or periodic), either towards the Galactic Center or active nuclei of galaxies (AGN) at cosmological distance allows for a better understanding of the emission processes at work in these sources. It also helps characterizing the medium in which the photons propagate and testing the validity of some fundamental physical laws such as Lorentz invariance.

The subject of the internship proposed here is the study of the variability of the active nuclei of Galaxie PKS 2155-304. This source shows extreme variations of its gamma-ray flux over short time scales (~ 1 minute) that allow to consider time-frequency studies to test Lorentz invariance. The aim of the internship is to develop a new data analysis method to characterize the simultaneous temporal and spectral variability of this very high energy gamma-ray source. The work could be extended in a PhD thesis to other sources and to the study all the data taken by H.E.S.S. along the Galactic plane.

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Bibliography :
[1] VHE gamma-ray emission of PKS 2155-304 : spectral and temporal variability, Collaboration H.E.S.S., Astronomy & Astrophysics (2010)
[2] Search for Lorentz invariance breaking with a likelihood fit of the PKS 2155-304 flare data taken on MJD 53944, Collaboration H.E.S.S., Astroparticle Physics (2011)
[3] The 2012 flare of PG 1553+113 seen with H.E.S.S. and Fermi-LAT: Constraints on the source redshift and Lorentz invariance violation, Collaborations H.E.S.S. et Fermi, Astrophysical Journal (2015)

Mots clés/Keywords

astroparticules, invariance de Lorentz, astronomie gamma de très haute énergie
astroparticles, Lorentz invariance, very high energy gamma-ray astronomy

Compétences/Skills

Analyse de données, outils statistiques
Data analysis, statistical tools

Logiciels

Python, C/C++, ROOT
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L'expérience NUCLEUS: vers une mesure précise du processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux auprès de réacteurs
The NUCLEUS experiment: toward a precision measurement of coherent elastic neutrino-nucleus scattering at reactors

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-07-2020

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Vivier Matthieu
+33 1 69 08 66 26

Résumé/Summary

La diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux est un processus d’interaction prometteur qui pourrait ouvrir la voie vers la miniaturisation des détecteurs de neutrinos, et aller sonder de la nouvelle physique au-delà du modèle standard de la physique des particules. Ce stage se propose de mener une étude poussée des bruits de fond pour concevoir une nouvelle expérience de détection des neutrinos basé sur ce processus, et dont le déploiement se ferait sur la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes.
Coherent elastic neutrino nucleus scattering is a promising interaction process which could potentially allow to scale down neutrino detectors, and probe new physics beyond standard model of particle physics. This internship consists in carrying a in-depth study of backgrounds for the design of a new experiment dedicated to the detection of neutrinos through this process at the Chooz nuclear power plant, in France.

Sujet détaillé/Full description

La diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN) est un processus d’interaction des neutrinos prédit il y a plus de 40 ans dans le cadre de l’élaboration du modèle standard de la physique des particules, et dont la première détection a été réalisée en 2017 par la collaboration américaine « COHERENT ». Ce processus, pouvant présenter des sections efficaces 10 à 1000 fois plus grandes que les canaux d’interaction classiques utilisés pour étudier les propriétés fondamentales du neutrino, offre des perspectives attrayantes pour la miniaturisation des détecteurs et la recherche de nouvelle physique (recherche de nouvelles interactions, études des propriétés électro-magnétique du neutrino, etc.). Il reste cependant largement inexploité, notamment parce que les reculs nucléaires induits sont de très faible énergie (? keV) et nécessitent donc des détecteurs à très bas seuil en énergie pour être observés. Notre équipe s’est donc orientée vers l'utilisation de détecteurs cryogéniques, et a récemment formé la collaboration NUCLEUS réunissant des partenaires Allemands, Autrichiens et Italiens pour concevoir un détecteur qui sera déployé sur la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes.

Ce stage a pour objectif d’étudier et de simuler les bruits de fond dans les détecteurs cryogéniques de l'expérience. Cette étude permettra d'une part d’optimiser la configuration des blindages qui seront installés autour des détecteurs, et d'autre part de comprendre la nature et l'origine de ces bruits de fond dans un domaine d'énergie (? keV) qui reste encore largement inexploré. Cette étude s’appuiera principalement sur un outil de simulation basé sur les logiciels Geant 4 et ROOT, et bénéficiera à la fois de mesures réalisées sur la centrale de Chooz et de mesures réalisées à l'occasion de la phase de prototypage des détecteurs cryogéniques.

Dans le cadre de cette étude, l’étudiant(e) sera amené(e) à interagir et collaborer avec les membres du projet, et pourra éventuellement participer aux prochaines campagnes de mesures de bruit de fond qui se dérouleront sur site. Ce stage sera pour lui/elle l’occasion d'approfondir ses connaissances dans différents domaines comme l’interaction rayonnement-matière, l’instrumentation, la conception et la simulation Monte Carlo de détecteurs en physique des particules et l’analyse de données. A l’issu de ce stage, il/elle aura d’autre part acquis des compétences avancées en programmation orientée-objet et en techniques de simulation Monte Carlo.

Ce stage pourra se poursuivre par une thèse.
Coherent elastic neutrino nucleus scattering (CEvNS) is a neutrino interaction process predicted 40 years ago by the standard model of particle physics, and first detected in 2017 by the « COHERENT » collaboration. This process can exhibit interaction cross-sections a factor 10 to 1000 times larger than cross-sections of other neutrino interaction channels used to study the fundamental properties of the neutrino. It would thus offer promising perspectives for miniaturizing the size of current neutrino detectors, and it is also sensitive to new physics beyond the standard model (new interactions, study of the neutrino electro-magnetic properties, etc.). However, this process remains at the current time largely unexploited, mostly because the induced nuclear recoils are of extremely low energies (? keV) and hence call for low energy threshold detectors. Our research team therefore focuses on the use of cryogenic detectors and has recently formed an international collaboration with German, Austrian and Italian partners called NUCLEUS for designing and for deploying a neutrino detection experiment using CEvNS at the Chooz nuclear power plant, in France.

The goal of this internship is to conduct a in-depth study of the expected backgrounds for such an experiment. This study will allow both to optimize a shielding configuration and to understand the origin and nature of theses backgrounds in a yet unexplored energy regime (? keV). This study will be conducted using a Geant 4-based Monte Carlo simulation tool, and will use on-site background measurements performed at the Chooz nuclear power plant as well as data collected during the prototyping phase of the cryogenic detectors.

Mots clés/Keywords

Physique des particules, physique des neutrinos, simulation Monte Carlo
Particle physics, neutrino physics, Monte Carlo simulation

Compétences/Skills

Programmation C++ orientée objet Simulation Monte Carlo avec Geant 4 Analyse de données avec ROOT
Object oriented C++ programming Monte Carlo simulation with Geant 4 Data analysis with ROOT

Logiciels

ROOT Geant 4 C++
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Modélisation des spectres antineutrino de réacteur
Reactor antineutrino spectrum modeling

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

31-12-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

VIVIER Matthieu
+33 1 69 08 66 26

Résumé/Summary

Les récentes mesures des flux d'antineutrinos de réacteurs publiées par les expériences dédiées à l'étude des oscillation de neutrinos sont en désaccord avec les modèles. L'objectif de ce stage est de tester l'hypothèse selon laquelle ce désaccord viendrait de la modélisation des branches beta, ingrédient nécessaire à la prédiction des flux d'antineutrino de réacteur.
The experimental reactor neutrino fluxes, such as those measured by experiments dedicated to study neutrino flavor oscillation, recently showed disagreement with respect to the state of the art predictions. The goal of the following internship is to test whether or not such a disagreement could originate from the modeling of single beta branch neutrino spectra.

Sujet détaillé/Full description

Les antineutrinos de réacteurs ont depuis leur découverte en 1956 joué un rôle prépondérant dans la compréhension des propriétés fondamentales du neutrino. Les neutrinos sont des particules élémentaires qui peuvent exister sous forme de trois saveurs, associées à l’électron, au muon et à la particule tau. Ils possèdent notamment la propriété de pouvoir changer de saveur au cours de leur propagation, phénomène confirmé en 1998 par les expériences SuperKamiokande et SNO, et connu sous le nom d’oscillation des neutrinos. Les centrales nucléaires utilisées pour la production d’électricité sont des sources intenses de neutrinos, et offrent un moyen très efficace de mesurer précisément la probabilité d’oscillation des neutrinos lorsque l’on place un ou plusieurs détecteurs à proximité. Pour les besoins de Double Chooz, expérience située dans les Ardennes sur la centrale nucléaire de Chooz, l’IRFU a procédé en 2011 à une réévaluation des spectres antineutrinos de réacteur. Les tout derniers spectres expérimentaux mesurés en 2016 par les expériences Daya Bay et Double Chooz, sont cependant en désaccord avec ces prédictions.
Les antineutrinos de réacteur sont émis par désintégration beta - des produits issus de la fission du combustible nucléaire (U235, U238, Pu239, Pu241). Le spectre antineutrino émis par un coeur de réacteur résulte ainsi de la superposition de milliers de branches beta. Pour expliquer le désaccord entre théorie et expérience, la communauté scientifique s’accorde à dire que certaines hypothèses faites dans la modélisation des spectres antineutrinos réacteurs sont incorrectes, notamment au niveau de la modélisation des branches beta.
L’objectif de ce stage sera ainsi de quantifier l’impact d’une modélisation raffinée du spectre antineutrino émis par une branche beta sur les prédictions des spectres antineutrinos de réacteur. Outre les corrections usuelles à la théorie de Fermi (effet de taille fini du noyau, correction d’échange et d'écrantage, correction radiatives…) qui peuvent changer de quelques pour-cent le spectre neutrino d’une branche beta, l’effet des transitions interdites sur le spectre antineutrino total sera étudié et quantifié. Pour réaliser cette étude, l’étudiant aura à disposition un outil de modélisation des spectres beta écrit en C++. Il évoluera dans l'équipe du projet NENuFAR (New Evaluation of Neutrino Fluxes At Reactors) qui a pour but de réviser et d'affiner la prédiction des spectres antineutrinos de réacteur.
Since their discovery in 1956, reactor neutrinos played an important role in unveiling and understanding the fundamental properties of the neutrino. Neutrinos are elementary particles which come in three flavors, each associated to the electron, muon, and tau particles. When propagating, neutrinos can especially change from one flavor to another, a phenomenon known as neutrino flavor oscillation, which was experimentally confirmed in 1998 by the SuperKamiokande and SNO experiments. Nuclear power plants are copious sources of antineutrinos, and are therefore interesting to precisely measure the neutrino oscillation probability with one or several dedicated detectors placed nearby. In 2011, the reactor neutrino group at IRFU reassessed the state of the art predictions of reactor antineutrino fluxes for the Double Chooz experiment, located at the Chooz nuclear power plant in northern France. Since then, this new reactor antineutrino flux modeling has been extensively used by experiments using reactor antineutrinos, such as Double Chooz. However, the latest experimental reactor antineutrinos spectra, as for example measured by the Daya Bay and Double Chooz experiments, turned out to be surprisingly different from the current predictions.
Reactor antineutrinos originate from beta - decay of the products initiated by the fission of nuclear fuel (U235, U238, Pu239, Pu241). The resulting antineutrino spectrum is therefore a superposition of thousands of beta branches. To explain the aforementioned disagreement between theory and experimental results, the scientific community agrees on the fact that several assumptions made for predicting antineutrino reactor fluxes are incorrect, especially those made for the modeling of a single beta branch neutrino spectrum. The goal of the following internship is to quantify the impact of a refined modeling of single beta branch neutrino spectra, so as to check the beta branch modeling argument for explaining such a disagreement. Further to the usual corrections applied to the Fermi theory of beta decay (such as nucleus finite size effect, screening and exchange corrections, or radiative corrections), which can change a single branch neutrino spectrum up to a few percents, the effect of forbidden transitions on the total antineutrino spectrum will be studied and quantified in details. For this purpose, a C++-written benchmarked tool for beta spectrum modeling and computation will be used. The proposed work is part of the NENuFAR (New Evaluation of Neutrino Fluxes At Reactors) projet, which aims at revising and refining the predictions of reactor antineutrino spectra.

Mots clés/Keywords

Physique des particules; Physique nucléaire
Particle physics; Nuclear Physics

Compétences/Skills

Programmation orientée objet, calcul numérique haute performance
Object oriented programming, high performance numerical computation

Logiciels

C++; ROOT
PDF

Recherches d'émission de rayons gamma de haute énergie associé aux sursauts radio (FRBs)
Search for high-energy emission of Fast Radio Bursts with H.E.S.S.

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-06-2020

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SCHUSSLER Fabian
+33 1 69 08 30 20

Résumé/Summary

La détection des rayons gamma de haute énergie associés à des sursauts radio rapides (Fast Radio Bursts, FRBs) constituerait une étape décisive dans notre compréhension de ces phénomènes mystérieux. Ce stage permettra d'effectuer ces recherches en utilisant les données H.E.S.S. obtenues en collaboration avec de grandes installations radio comme les précurseurs de SKA, MeerKAT et ASKAP, ainsi que Parkes et UTMOST.
The detection of high-energy gamma rays associated to Fast Radio Burst would provide a decisive step in our understanding of these mysterious phenomena. This internship will allow to perform these searches using H.E.S.S. data obtained in collaboration with large radio facilites like the SKA precursors MeerKAT and ASKAP as well as Parkes and UTMOST.

Sujet détaillé/Full description

H.E.S.S.S. est un système de télescopes qui étudie les rayons gamma cosmiques dans la gamme d'énergie de 10s de GeV à 10s de TeV. Le nom H.E.S.S. signifie High Energy tereoscopic System, et est également destiné à rendre hommage à Victor Hess, qui a reçu le prix Nobel de physique en 1936 pour sa découverte du rayonnement cosmique. L'instrument permet aux scientifiques d'explorer des sources de rayons gamma dont l'intensité représente quelques millièmes du flux de la nébuleuse du crabe (la source constante la plus brillante de rayons gamma dans le ciel). H.E.S.S. est situé en Namibie, près de la montagne de Gamsberg, une région bien connue pour son excellente qualité optique. Le premier des quatre télescopes de la phase I du projet H.E.S.S. est entré en service à l'été 2002. Un cinquième télescope beaucoup plus grand - H.E.S.S. II - est opérationnel depuis juillet 2012, améliorant encore la sensibilité, étendant la couverture énergétique et permettant des réactions très rapides aux événements transitoires. L'observatoire H.E.S.S.S. est géré par une collaboration de plus de 170 scientifiques de 32 instituts et de 12 pays différents.

Au cours des dernières années, des observatoires du monde entier ont détecté des sursauts très puissantes mais très courtes dans le domaine radio. L'origine de ces Fast Radio Bursts (FRBs) reste énigmatique. Le mystère entourant les FRBs semble s'accroître dans un passé récent, alors qu'un petit nombre d'explosions se sont répétées. La recherche de contreparties dans d'autres longueurs d'onde est un sujet extrêmement brûlant dans la communauté de l'astrophysique et la collaboration de H.E.S.S. y participe activement. Plusieurs campagnes d'observation très intéressantes ont été réalisées par H.E.S.S. en collaboration avec les éclaireurs SKA ASKAP et MeerKAT ainsi qu'avec les observatoires Parkes et UTMOST.
Après une introduction au sujet de l'astronomie gamma de haute énergie et des FRBs, le stage permettra d'analyser les données gamma de haute énergie en collaboration avec des collègues des observatoires radio. Nous suivrons d'abord des directives d'analyse bien établies dédiées aux phénomènes transitoires et travaillerons ensuite sur des améliorations possibles. Il s'agira notamment d'utiliser des méthodes d'analyse dédiées et novatrices pour rechercher des émissions variables et/ou analyser des données à très courte échelle de temps.
H.E.S.S. is a system of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes that investigates cosmic gamma rays in the energy range from 10s of GeV to 10s of TeV. The name H.E.S.S. stands for High Energy Stereoscopic System, and is also intended to pay homage to Victor Hess , who received the Nobel Prize in Physics in 1936 for his discovery of cosmic radiation. The instrument allows scientists to explore gamma-ray sources with intensities at a level of a few thousandths of the flux of the Crab nebula (the brightest steady source of gamma rays in the sky). H.E.S.S. is located in Namibia, near the Gamsberg mountain, an area well known for its excellent optical quality. The first of the four telescopes of Phase I of the H.E.S.S. project went into operation in Summer 2002. A much larger fifth telescope - H.E.S.S. II - is operational since July 2012, further improving sensitivity, extending the energy coverage and allowing for very rapid reactions to transient events. The H.E.S.S. observatory is operated by the collaboration of more than 170 scientists, from 32 scientific institutions and 12 different countries.

Worldwide observatories have detected very powerful but very short bursts in the radion domain over the last years. The origin of these Fast Radio Bursts (FRBs) remains enigmatic. The mystery surrounding FRBs seems to increase in the recent past when a small number of bursts have been found to be repeating. Searches for counterparts in other wavelengths are an extremely hot topic in the astrophysics community and the H.E.S.S. collaboration is actively participating. Several very interesting observation campaigns have been performed by H.E.S.S. in collaboration with the SKA pathfinders ASKAP and MeerKAT as well as with the Parkes and UTMOST observatories.

After an introduction to the topic of high-energy gamma-ray astronomy and FRBs, the internship will allow to analyze the obtained high-energy gamma-ray data in collaboration with colleagues from the radio observatories. We’ll first follow well-established analysis guidelines dedicated to transient phenomena and will then work towards possible improvements. These will include the use of dedicated and novel analysis methods searching for variable emissions and/or analysis of dataset at extremely small timescale.

Mots clés/Keywords

multi-longeur d'onde
multi-wavelength

Logiciels

C/C++ et/ou Python

 

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