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Active and Passive Background Reduction Techniques to Measure Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering at the Chooz Nuclear Power Plant
Active and Passive Background Reduction Techniques to Measure Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering at the Chooz Nuclear Power Plant

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-07-2019

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

WAGNER Victoria
+33 1 69 08 37 48

Résumé/Summary

A new-generation neutrino experiment exploring coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CENNS) is being planned at the Chooz nuclear power plant. This internship concentrates on the design and testing of the active muon veto and a Monte Carlo based optimization of the passive shielding.
A new-generation neutrino experiment exploring coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CENNS) is being planned at the Chooz nuclear power plant. This internship concentrates on the design and testing of the active muon veto and a Monte Carlo based optimization of the passive shielding.

Sujet détaillé/Full description

Coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CENNS) is a process in which a neutrino scatters coherently over all nucleons in a nucleus. The coherence increases the CENNS cross-section by up to two orders of magnitudes with respect to standard neutrino detection methods such as the inverse beta-decay (IBD). Thanks to the boost in the cross-section, the flavor blindness and the missing threshold, CENNS offers a unique way to study neutrino properties, and to test the Standard Model of Particle Physics (SM) as well as to search for new physics. One of the main challenges of such CENNS experiments are to reach a sub-keV energy threshold, as well as a low background count rate at such low energies. Nuclear reactors are strong (anti-) neutrino sources, however, experimental sites close to nuclear power plants are typically at a shallow overburden and the cosmic background needs to be reduced.

A new-generation neutrino experiment exploiting CENNS is being designed at the Chooz nuclear power plant in France. To study CENNS, bolometric detectors with an energy threshold below 20 eV will be installed in a new experimental site, called the Very-Near-Site (VNS), inside the inner area of the power plant. First measurements indicate that the overburden at the VNS is below 5 m.w.e., thus, requiring an effective active and passive reduction of the cosmic-ray induced background, such as neutrons and muons. Neutrons are a particularly dangerous background since they feature the same signature as CENNS events.

The CENNS target detectors will be embedded into a compact passive shielding consisting of alternating layers of lead to attenuate gamma-rays and borated polyethylen (PE) to moderate and capture neutrons. Besides a source of background due to electro-magnetic interactions, muons produce neutrons in nuclear reactions, especially in high Z material like lead. To reduce the muon-induced background an active muon-veto based on plastic scintillators will be designed. The veto-system will identify muons passing through the experimental setup, such that coincident events are identified as muon-induced and do not originate from CENNS. An efficient active and passive shielding is crucial for the success of the experiment.

The internship will allow the candidate to study and work on widely used background reduction techniques. The focus lies on the testing and characterization of the muon-veto. In a dedicated test stand at CEA-Saclay, the student will test the performance of the individual plastic scintillators as well as the photo-multiplier tubes (PMT) which are used to read out the scintillation light. The work includes the analysis and comparison of the acquired data. Furthermore, dedicated GEANT4 Monte Carlo simulations to optimize the passive shielding layer are foreseen.

The work will be performed within an international collaboration. In regular meeting the student will have the opportunity to present his work. The internship is minimum 3 months, and can be extended up to 6 month. For M2 students, there may be a possibility to propose a PhD subject after the internship. The ability to work independently and good programming skills are desired.
Coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CENNS) is a process in which a neutrino scatters coherently over all nucleons in a nucleus. The coherence increases the CENNS cross-section by up to two orders of magnitudes with respect to standard neutrino detection methods such as the inverse beta-decay (IBD). Thanks to the boost in the cross-section, the flavor blindness and the missing threshold, CENNS offers a unique way to study neutrino properties, and to test the Standard Model of Particle Physics (SM) as well as to search for new physics. One of the main challenges of such CENNS experiments are to reach a sub-keV energy threshold, as well as a low background count rate at such low energies. Nuclear reactors are strong (anti-) neutrino sources, however, experimental sites close to nuclear power plants are typically at a shallow overburden and the cosmic background needs to be reduced.

A new-generation neutrino experiment exploiting CENNS is being designed at the Chooz nuclear power plant in France. To study CENNS, bolometric detectors with an energy threshold below 20 eV will be installed in a new experimental site, called the Very-Near-Site (VNS), inside the inner area of the power plant. First measurements indicate that the overburden at the VNS is below 5 m.w.e., thus, requiring an effective active and passive reduction of the cosmic-ray induced background, such as neutrons and muons. Neutrons are a particularly dangerous background since they feature the same signature as CENNS events.

The CENNS target detectors will be embedded into a compact passive shielding consisting of alternating layers of lead to attenuate gamma-rays and borated polyethylen (PE) to moderate and capture neutrons. Besides a source of background due to electro-magnetic interactions, muons produce neutrons in nuclear reactions, especially in high Z material like lead. To reduce the muon-induced background an active muon-veto based on plastic scintillators will be designed. The veto-system will identify muons passing through the experimental setup, such that coincident events are identified as muon-induced and do not originate from CENNS. An efficient active and passive shielding is crucial for the success of the experiment.

The internship will allow the candidate to study and work on widely used background reduction techniques. The focus lies on the testing and characterization of the muon-veto. In a dedicated test stand at CEA-Saclay, the student will test the performance of the individual plastic scintillators as well as the photo-multiplier tubes (PMT) which are used to read out the scintillation light. The work includes the analysis and comparison of the acquired data. Furthermore, dedicated GEANT4 Monte Carlo simulations to optimize the passive shielding layer are foreseen.

The work will be performed within an international collaboration. In regular meeting the student will have the opportunity to present his work. The internship is minimum 3 months, and can be extended up to 6 month. For M2 students, there may be a possibility to propose a PhD subject after the internship. The ability to work independently and good programming skills are desired.

Mots clés/Keywords

neutrino, particle physics, background rejection

Compétences/Skills

testing the performance of plastic scintillators read out with a PMT, data analysis, GEANT4 Monte Carlo simulations to optimize the passive shielding

Logiciels

C++, ROOT, GEANT4
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Analyse des données de test d’un prototype de caméra pour l’observatoire gamma de très hautes énergies CTA
Analysis of test data of a camera prototype for the very high energy gamma observatory CTA

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

07-05-2019

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GLICENSTEIN Jean-francois
+33 1 69 08 98 14

Résumé/Summary

NectarCAM est une caméra destinée à équiper les télescopes « moyens » (MST) de l'observatoire astronomique CTA, dédié aux photons de très hautes énergies (photons d'énergie supérieure à 50 GeV). Un prototype de NectarCAM est en cours d'assemblage et de test à l’IRFU. Un sous-ensemble de ce prototype (comprenant environ un quart des photomultiplicateurs) sera testé début 2019 sur un prototype de télescope dans la banlieue de Berlin. Le stage consiste en l’analyse des données prises lors de ce test.

NectarCAM is a camera intended to equip the "medium" telescopes (MST) of the CTA astronomical observatory, dedicated to very high energiy photons (with energies above 50 GeV) CTA. A prototype of NectarCAM is being assembled and tested at IRFU. A subset of this prototype (comprising about a quarter of the photomultipliers) will be tested early 2019 on a prototype telescope in the suburbs of Berlin. The internship consists of analyzing the data taken during this Berlin test.

Sujet détaillé/Full description

La caméra NectarCAM est un instrument de grandes dimensions : environ 3mx3mx1,5m. La partie active est composée d’environ 1850 photomultiplicateurs. La propagation des particules secondaires créées dans l’atmosphère par le photon primaire émet un flash lumineux qui domine dans le ciel pendant quelques nanosecondes. Ce flash est enregistré par la NectarCAM et l’image obtenue permet de remonter aux caractéristiques physiques du photon primaire (direction, énergie). Les caractéristiques de NectarCAM sont testées dans une chambre noire au CEA-Saclay. Une partie de la camera sera testée sur un prototype de structure à Berlin au printemps 2019. La caméra complète doit être installée sur le site Nord de CTA aux Canaries courant 2020.
Le but principal du stage est l’exploitation des données prises lors du test de la partiellement équipée (environ ¼ des photomultiplicateurs) début 2019. L’analyse de ces données permettra de vérifier les performances scientifiques et techniques de NectarCAM et éventuellement d’apporter des corrections à la conception de la caméra. Les données seront analysées avec des programmes écrits en Python (éventuellement en C++) et comparées à des simulations de l’appareillage. Le montage de la caméra complète sera achevé en 2019.
The NectarCAM camera is a large instrument: about 3mx3mx1,5m. The active part consists of about 1850 photomultipliers. The propagation of secondary particles created in the atmosphere by the primary photon emits a luminous flash that dominates in the sky for a few nanoseconds. This flash is recorded by the NectarCAM and the image obtained makes it possible to go back to the physical characteristics of the primary photon (direction, energy). The characteristics of NectarCAM are tested in a dark room at CEA-Saclay. Part of the camera will be tested on a prototype structure in Berlin in spring 2019. The complete camera must be installed on the CTA North site in the Canaries in 2020.
The main purpose of the internship is to exploit the data taken during the test of the partially equipped (about ¼ of the photomultipliers) at the beginning of 2019. The analysis of these data will make it possible to verify the scientific and technical performances of NectarCAM and possibly to bring corrections to the design of the camera. The data will be analyzed with programs written in Python (possibly in C ++) and compared to simulations of the apparatus. The assembly of the complete camera will be completed in 2019.

Mots clés/Keywords

astroparticules, photons de très hautes énergies, observatoire CTA
astroparticle physics, very high energy photons, CTA observatory

Compétences/Skills

instrumentation, analyse de données, simulation
instrumentation, data analysis, simulation

Logiciels

Python C++ ctapipe
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Détecteur liquide de haute densité innovant pour l’imagerie TEP cerebrale

Spécialité

Instrumentation

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

15-06-2019

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

YVON Dominique
+33 1 69 08 36 25

Résumé/Summary

Il s'agit de mesurer les propriétés du transport de charge dans un liquide "organometallique" le Triméthyl Bismuth. Nous voulons mesurer le rendement de production de charge, la mobilité, la durée de vie des électrons libres. Ce liquide est proposé pour réaliser un détecteur pour l'imagerie TEP cérébrale haute résolution spatiale.

Sujet détaillé/Full description

Le Projet:
CaLIPSO est un concept de détecteur innovant pour l’imagerie TEP cérébrale. Du triméthylbismuth (TMBi) liquide est utilisé comme milieu de détection. La présence du bismuth (Z = 83) maximise la section efficace photo-électrique. Le photon est ainsi efficacement converti en un unique électron. Celui-ci ionise le liquide et produit des photons Cherenkov. CaLIPSO fonctionne comme une chambre à projection temporelle et détecte à la fois les signaux d’ionisation et de lumière.
Le signal d’ionisation permet notamment la mesure de l’énergie du photon incident. Nous avons mesuré le rendement d’ionisation du TMBi, qui représente le nombre de paires électron-ion libérées par unité d’énergie. Cependant, le rendement mesuré est nettement inférieur aux rendements des liquides similaires. Des calculs de chimie quantique ont permis de montrer une capacité élevée du TMBi à capturer des électrons, qui pourrait expliquer cette faible valeur.

Sujet de Stage:
Le stage consiste à mettre en œuvre une mesure d’impulsions de charge créées dans le TMBi par le passage d’un muon cosmique ou d’un photon issu d’une source de 60Co. Cette mesure permettra de valider la mesure du rendement d’ionisation, mais également de mesurer la mobilité ?des électrons dans le TMBi. Une simulation Monte-Carlo permettra d’estimer le dépôt d’énergie et de modéliser le transport de charge dans le liquide. Pour finir, la purification du TMBi sera mise en œuvre pour e éviter la capture des électrons par des impuretés é?lectronégatives.

Formation souhaitée :
• Un profil étudiant ingénieur instrumentation avancée
• Des connaissances en détecteurs de rayonnement, en physique subatomique : interactions rayonnement matière, radioactivité
• Un gout affirmé pour le travail expérimental
• Des notions de programmation C ou C++ seraient un plus, (C++, ROOT, Geant4 et/ou GATE)

Compétences/Skills

Instrumentation Simulation et modélisation de détecteurs, électronique bas-bruit, purification par adsorption, techniques de vide et de propreté ?.

Logiciels

C et C++
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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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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

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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