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ÉTUDE DE LA PROPULSION SPATIALE À ANTIMATIÈRE
STUDY OF SPACE PROPULSION BASED ON ANTIMATTER

Spécialité

Physique corpusculaire des accélérateurs

Niveau d'étude

Bac+3

Formation

Master 1

Unité d'accueil

Candidature avant le

26-10-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

TUCHMING Boris
+33 1 69 08 97 78

Résumé/Summary

Il s'agira d'étudier avec une simulation un système de propulsion spatial basé sur l'utilisation d'antimatière. L'étude portera sur le système "beamed-core" qui repose sur une tuyère magnétique canalysant les produits d'annhilation proton-antiproton.
The goal is to study space propulsion based on antimatter. The study will simulate a "beamed-core" system which consists of a magnetic nozzle directing the flux of particles arising from proton-antiproton annihilations.

Sujet détaillé/Full description

Le CEA-IRFU et le CNES ont débuté une collaboration pour établir les principes de base d’un système de propulsion utilisant de l’antimatière, dans la perspective de voyages spatiaux lointains. Cette collaboration s'appuie sur l'expérience Gbar (Gravitationnal Behavior of Antihydrogen at Rest) qui a pour but de produire un grand nombre d'atomes d'antihydrogène, pour en mesurer l'accélération dans le champ gravitationnel terrestre et tester le principe d'équivalence d'Einstein.

Plusieurs schéma de principes ont déjà été proposé dans la littérature pour utiliser les propriétés des antiprotons ou de l'antihydrogène. D'une part la haute densité énergétique, typiquement 1000 fois plus grande que pour la fission nucléaire, en fait un réservoir énergétique indépassable. En outre, comparés à son pendant nucléaire, un système thermique à antimatière solutionne la plupart des problèmes de sûreté nucléaire associés aux combustibles et déchets radioactifs. Mais ce sont surtout ses propriétés d'annihilation avec la matière qui sont les plus prometteuses. D'une part on pourrait induire sur de très petites échelles spatiales des réactions de fission nucléaire, permettant de catalyser et contrôler des mini ou micro-réactions de fusion nucléaire. D'autre part les produits d'annihilation, par exemple ceux d'un antiproton sur de l'hydrogène, ont des vitesses relativistes. Un réacteur dit beamed-core, éjectant directement ces produits, à l'aide d'un système magnétique, permettrait à un véhicule spatiale d'atteindre des vitesses proche de la lumière, condition nécessaire pour voyager au-delà du système solaire.
Si les plus gros verrous technologiques à l'exploitation de l'antimatière sont sa production et son stockage, il est néanmoins intéressant d'étudier en détail son exploitation dans une tuyère à antimatière.

L'étude de la propulsion spatiale abordera succinctement les deux premiers aspects, production et stockage, pour ensuite se concentrer sur la production de poussée.
L'objectif du stage est de s'appuyer sur des logiciels de simulation (Geant) afin d'étudier et d'optimiser une tuyère beamed-core. Les paramètres à examiner, sont entre autres, la géométrie de la tuyère, les champs magnétiques, ainsi que les boucliers antiradiations et les dissipateurs thermiques.
CEA-IRFU and CNES (French National Space Agency) have started a collaborative work to establish the ground of a space propulsion system based on antimatter. This collaboration relies on the Gbar experiment whose purpose is the production of a large number of antihydrogen atoms and the measurement of their free fall in the Earth's gravitational field.

Several schemes of space propulsion have been proposed in the literature, that exploit the properties of antiprotons or antihydrogen atoms. Firstly the high energetic density, 1000 times as high as for nuclear fission, makes antimatter an unsurpassable energetic tank. Compared to a fission reactor, an antimatter reactor would also solve most of the issues related to safety and transport of radioactive matter. Before all, the annihilation properties of antimatter are the most interesting. On one hand antimatter can be used to induce nuclear reaction on very small spatial scale, that would catalyse and control mini or micro nuclear fusion reaction. On the other hand, the product of annihilation of antiprotons onto protons have relativistic velocities. A so called « beamed-core » spaceship ejecting directly annihilation products using a magnetic nozzle could reach a fraction of the speed of light, which is necessary to be capable of traveling beyond the solar system.
The main technological lock to the use of antimatter are its production and storage. It is nevertheless interesting to study and design an antimatter nozzle.

The study of space propulsion will briefly be dedicated to the question of production and storage before focusing on the production of thrust.
The main goal of the internship is to use simulation software (Geant) to study and optimise a beamed-core nozzle. The parameters to examine will be, the overall geometry, the magnetic system, the radiation shields and the heat sinks.

Mots clés/Keywords

propulsion spatiale, antimatière, physique des particules, Geant4
space propulsion, antimatter, physique des particules, Geant4

Compétences/Skills

Simulation d'annihilation proton-antiproton avec Geant4
Geant4 simulation to study proton-antiproton annhilation

Logiciels

Geant4, C++, linux or mac, scripts (python, shell)
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Mesure précise de la masse du W au futur collisionneur e+ e- à haute énergie (FCC-ee)
Precise mesurement of the mass of the W boson at future e+e- collider (FCC-ee)

Spécialité

Physique corpusculaire des accélérateurs

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

02-04-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

LOCCI Elizabeth
+33 1 69 08 45 46

Résumé/Summary

FCC-ee est un collisionneur circulaire e+e- qui pourrait ouvrir la voie à des découvertes de physique au delà du modèle standard, directement ou indirectement, par la mesure des propriétés du Z, du W, du top et du Higgs, notamment une mesure précise de la masse du boson W.
FCC-ee is a circular e+e- collider with a potential for the discovery of new physics beyond the Standard Model, either directly, or indirectly by measuring the properties of Z, W, top, Higgs, and particularly a precise measurement of the W mass.

Sujet détaillé/Full description

Dans le cadre d’un modèle aussi prédictif que le modèle standard (SM), la mesure précise de masse du boson W et de sa largeur est sensible aux corrections radiatives, et peut être utilisée pour valider la cohérence du modèle et placer des limites sur les prédictions pour une nouvelle physique au delà du modèle standard (BSM). Si cette dernière n’est pas directement observée au LHC, la mesure des propriétés du boson W pourrait devenir d’une importance capitale pour placer des limites sur l’existence de nouvelles particules qui se coupleraient au W. L’ajustement global du Modèle Standard aux mesures de précision du LEP, régulièrement effectué par les groupes de travaux sur les mesures électrofaibles, ont démontré l’impressionnante puissance prédictive de l’unification électrofaible et des corrections radiatives. Ce fit (ajustement) a été revu pour y insérer les contraintes résultant des mesures du Tévatron. Les mesures de précision du LHC et des futurs collisionneurs seront incorporées comme des contraintes additionnelles.
Parmi les différentes options possibles pour accroître la précision des mesures faites au LHC, un collisionneur circulaire e+e- (FCC-ee) semble offrir le meilleur potentiel pour atteindre les luminosités intégrées nécessaires pour obtenir les précisions requises. Avec plus de 2 x 10**8 paires de W produites à une énergie dans le centre de masse au seuil de production de la paire et au delà, FCC-ee sera une véritable fabrique de Ws. La masse et la largeur du boson W peuvent être mesurées au seuil de production WW et au delà par reconstruction directe de l'état final. L'incertitude totale sur la masse du W est essentiellement dominée par la statistique (1 MeV attendu). Des détecteurs plus performants, Une meilleure compréhension de l'échelle en énergie des jets et de la résolution angulaire, une amélioration des simulations Monte-Carlo pourraient résulter en une incertitude systématique de 1 MeV.
L’objectif de ce stage est d’évaluer avec quelle précision la masse du boson W pourrait être mesurée dans les canaux hadroniques et semi-leptoniques par une simulation complète du signal et du bruit de fond dans le détecteur, la reconstruction et la sélection des candidats W pour en déterminer leur masse, à 162 GeV (seuil WW), 240 GeV (seuil HZ), 350 GeV (seuil paire de quarks top).
In the extremely predictive framework of the Standard Model, precise measurements of the mass and width of the W boson are sensitive to radiative corrections and can be used to validate the consistency of the model and to place limits on new physics beyond the Standard Model (BSM). If this latter is not directly observed at the LHC, measuring the properties of the W boson might be of paramount importance to place limits on the existence of new particles that would couple to W. The global fit of the Standard Model to electroweak precision data, routinely performed by the LEP electroweak working group impressively demonstrated the predictive power of electroweak unification and quantum loop corrections. This fit has been revisited for the insertion of constrains from Tevatron. Further measurements from LHC and future colliders will be added as additional constraints.
Among the various possibilities to increase the precision of measurements done at LHC, a circular e+e- collider (FCC-ee) offers the best potential to deliver the integrated luminosities that would be adequate to reach such level of precision. With more than 2 x 10**8 W pairs produced at center-of-mass energies at the WW threshold and above, FCC-ee will be a W factory.
W mass and width can be measured at and above the WW production threshold from direct reconstruction of the final state.The overall uncertainty on the W-mass measurement is essentially statistics-dominated (1 Mev expected). Better detectors, better understanding of jet energy scale and angular resolution, improved Monte-Carlo simulations might lead to a 1 MeV systematic uncertainty.
This internship aims at an evaluation of the precision with which the W mass could be measured in the fully-hadronic and semi-leptonic channels by a full simulation of the signal and background in the detector, the candidate reconstruction and selection for the determination of the W mass, at 162 GeV (WW threshold), 240 GeV (HZ threshold), 350 GeV (t-quark pair threshold).

Mots clés/Keywords

Modèle Standard, BSM, boson W, collisionneur e+e-, simulation
Standard Model, BSM, W boson, e+e- collider, simulation

Compétences/Skills

Simulation, analyse statistique
Simulation, Statistical analysis

Logiciels

C++, Python, ROOT, ROOFIT
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Recherche d’émissions diffuses au Centre Galactique avec H.E.S.S.
Search for diffuse emissions in the Galactic Centre with H.E.S.S.

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+4

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-06-2019

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

MOULIN Emmanuel
+33 1 69 08 29 60

Résumé/Summary

La région centrale de la Voie Lactée est le site de phénomènes parmi les plus violents dans l’univers qui peuvent être étudiés par les réseaux de télescopes Cherenkov au sol. La collaboration H.E.S.S. mène une campagne d’observation dans la région du Centre Galactique en tant que programme scientifique prioritaire pour étudier l’accélération de rayons cosmiques dans le voisinage du trou noir super massif le plus proche, et pour rechercher des signaux d’annihilations de particules de matière noire dans l’une des régions les plus prometteuses du ciel.
The central region of the Milky Way harbors among the most violent astrophysical phenomena in the universe that can be probed with ground-based Cherenkov telescopes. The H.E.S.S. collaboration is conducting a long-term key-science observation program to survey the Galactic Centre region in order to study cosmic-ray acceleration in the neighborhood of the closest supermassive black hole, and to search for dark matter particle annihilation signals in one of the most promising regions of the sky.

Sujet détaillé/Full description

L’observatoire H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) situé en Namibie est composé de quatre télescopes imageurs à effet Cherenkov atmosphérique de 12 m de diamètre, et d’un de 28 m de diamètre au centre du réseau. Le réseau H.E.S.S. est conçu pour détecter des rayons gamma dans la plage en énergie de quelques dizaines de GeV à plusieurs dizaines de TeV dans le but d’étudier les phénomènes les plus violents à l’œuvre dans l’Univers. La sensibilité en flux gamma atteinte par H.E.S.S. corresponds à quelques millièmes du flux de la source gamma stable la plus brillante. Des observations massives de régions clés du ciel comme le balayage de la région centrale de la Galaxie (IGS) sont menées en tant que programmes d’observations scientifiques prioritaires. L’observatoire H.E.S.S. est piloté par une collaboration internationale d’environ 230 scientifiques de 39 instituts scientifiques dans 13 pays.

Les observations de H.E.S.S dans la région centrale de la Voie Lactée ont révélé une grande variété d‘émetteurs en rayons gamma comme le trou super massif le plus proche Sagittarius A*, des nuages moléculaires, des vestiges du supernovæ et la base d’éjecta Galactiques. Les observations massives menées par H.E.S.S. sont un outil unique pour étudier l’accélération et la propagation de rayons cosmiques dans la région du Centre Galactique. Par ailleurs, cette région est la cible la plus prometteuse du ciel pour rechercher des signaux de matière noire. Dans cet environnement dense, des particules de matière pourraient s’annihiler encore aujourd’hui en particules du Modèle Standard avec une émission possible de rayons gamma dans l’état final. Le volume du jeu de données acquis avec les observations de la région du Centre Galactique menées avec les quatre télescopes de 12 m de diamètre ont permis aux scientifiques de H.E.S.S. de découvrir le premier Pevatron Galactique – un accélérateur de particules jusqu’à des énergies de 1015 eV, et de poser les contraintes les plus fortes à ce jour sur la section efficace d’annihilation de particules de matière noire dans la plage en masse du TeV.

L’objectif du stage est d’analyser les données du programme d’observations IGS prise avec l’ensemble du réseau H.E.S.S. Dans un premier temps, nous développerons une méthode d’analyse de données novatrice pour rechercher de nouvelles émissions diffuses au TeV en lien avec les éjecta du Centre Galactique. La deuxième étape consistera à développer un modèle des caractéristiques spectrales et spatiales de ces émissions au TeV à partir des observations à plus basse énergie. Dans la troisième étape, nous appliquerons la méthode développée à l’ensemble du jeu de données H.E.S.S. au Centre Galactique représentant plus deux fois le volume de données précédemment analysé.
The H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) observatory located in Namibia is composed of four 12m-diameter imaging atmospheric Cherenkov telescopes and one of 28m-diameter at the center of the array. The H.E.S.S. array is designed to detect gamma rays in the energy range from tens of GeV up to several tens of TeV in order to study the most violent phenomena in the universe. The gamma-ray flux sensitivity achieved by H.E.S.S. is a few thousandth of the flux of the brightest steady gamma-ray source and deep-field observations of selected key regions of the sky such as the inner Galaxy survey (IGS) are being conducted as key-science observation programs. The H.E.S.S. observatory is operated by an international collaboration of about 230 scientists from 39 scientific institutions in 13 countries.

The H.E.S.S. observations of the inner region of the Milky Way revealed a diversity of gamma-ray emitters including the closest supermassive black hole, Sagittarius A*, molecular clouds, supernova remnants and the base of Galactic outflows. The deep-field observations carried out by H.E.S.S. are a crucial tool to study acceleration and propagation of cosmic rays in the Galactic Centre region. In addition, this region is the most promising target to search for dark matter signals. In such a dense environment, dark matter particle may annihilate today into Standard Model particles including a possible emission of gamma rays in the final state. The rich observational dataset accumulated by the H.E.S.S. observations of the Galactic Center region with the four 12m-diameter telescopes led the H.E.S.S. scientists to detect the first Galactic Pevatron, a particle accelerator reaching energies of 1015 eV, and to set the strongest constraints to date on the self-annihilation of dark matter particles in the TeV mass range.

The goal of the internship is to analyze the observations from the inner Galaxy survey taken with the full H.E.S.S. instrument. In a first step, we will develop a novel data analysis method to search new diffuse emissions in the Galactic Centre region such as Galactic Center outflows. In a second step, we will build a model of the spectral and spatial features of outflows at TeV energies from lower-energy observations. In a third step, we will apply the method to the full H.E.S.S. observational dataset in the Galactic Centre region which amounts to more than doubled photon statistics compared to the previously analyzed dataset.

Mots clés/Keywords

Physique des astroparticules, Centre Galactique, Matière Noire
Astroparticle physics, Galactic Center, Dark Matter

Compétences/Skills

Expérience H.E.S.S., méthode statistique d'analyse de données, analyse d’un volume massif de données, développement de programmes de calculs
H.E.S.S. experiment, statistical data analysis method, analysis of large data sample, development of computational program

Logiciels

C/C++, ROOT

 

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