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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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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

 

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