Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

L’astronomie des très hautes énergies observe le ciel au dessus de 50 GeV. C’est une partie de l’astronomie relativement récente (moins de 30 ans). Après les succès du réseau d’imageurs H.E.S.S. dans les années 2000, un observatoire international, le Cherenkov Telescope Array (CTA) devrait entrer en fonctionnement à l’horizon 2024. Cet observatoire, dont la construction a démarré en 2018, comportera deux sites équipés d’une cinquantaine de télescopes. L’IRFU est impliqué, en partenariat avec le CNRS et des partenaires espagnols et allemands dans la construction de la NectarCAM, une caméra destinée à équiper les télescopes « moyens » (MST) de CTA. Un prototype de NectarCAM est en cours d’installation à l’IRFU. Après la réalisation de tests extensifs qui doivent montrer que la NectarCAM est capable d’atteindre les performances requises, des observations astronomiques sont prévues sur l’un des sites candidats de CTA. Ces observations permettront de valider entièrement le fonctionnement de la caméra. La thèse comporte deux parties indépendantes : d’une part les tests en chambre noire à l’IRFU, puis la préparation et les observations astronomiques avec le prototype de NectarCAM sur le site de CTA.

D’autre part, il est prévu de participer à l’analyse des données de la collaboration H.E.S.S., sur des sujets d’astroparticules (recherche de trous noirs primordiaux, contraintes sur l’Invariance de Lorentz à l’aide d’AGN lointains).

La région centre de la Voie Lactée est une région très complexe en rayons gamma de très haute énergie (THE, E>100 GeV). Parmi les sources gamma de THE se trouvent le trou noir supermassif Sagittarius A* au cœur de la Galaxie, des vestiges de supernovae et des nébuleuses à vents de pulsars. L'émission diffuse détectée dans la plage en énergie du TeV a permis de détecter le premier Pevatron Galactique - un accélérateur cosmique jusqu'à des énergies du PeV. Dans la plage en énergie de quelques dizaines de GeV, la région du Centre Galactique abrite la base de bulles de Fermi - structures bipolaires s'étendant spatialement sur des dizaines de degrés, en lien possible avec une période d'activité passée de Sagittarius A*. Au-delà de l'astrophysique complexe de THE, la région du Centre Galactique devrait être la source la plus brillante d'annihilations de particules de matière noire en rayons gamma de THE. L'observatoire H.E.S.S. situé en Namibie est composé de cinq télescopes imageurs à effet Cherenkov atmosphérique. Il est conçu pour détecter des rayons gamma de quels dizaines de GeV à plusieurs dizaines de TeV. L'observation de la région du Centre Galactique est l'un des programmes d'observation prioritaires mené par H.E.S.S. Les observations avec quatre télescopes ont permis de détecter le premier Pevatron Galactique 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. Le travail proposé se concentrera sur l'analyse et l'interprétation des observations H.E.S.S. conduites dans le cadre du balayage de la région du Centre Galactique avec les cinq télescopes. Dans une première partie, l'étudiant caractérisera les propriétés spectrales et spatiales de l'émission diffuse au TeV. Elle/il développera une méthode d'analyse novatrice pour la recherche de nouvelle émission diffuse en lien possible avec l'activité du trou noir Sagittarius A* en utilisant un technique d'ajustement multi-composante. La troisième partie sera dédiée à la recherche de matière noire dans la région du Centre Galactique et dans les galaxies naines satellites de la Voie Lactée. L'étudiant sera amené à prendre part à la prise de données avec les télescopes H.E.S.S. en direction de ces objets et participera aux perspectives de détection de la matière noire avec le prochain observatoire de rayons gamma au sol CTA.

Les mesures des propriétés statistiques de la structure de l'univers à grande échelle (LSS) fournissent des informations sur la physique qui a généré les fluctuations primordiales de densité. En particulier, elles permettent de distinguer différents modèles d’inflation cosmique en mesurant la non-gaussianité primordiale (PNG), l’écart par rapport aux conditions initiales du champ aléatoire gaussien.



Notre plan pour étudier la PNG consiste à utiliser un relevé spectroscopique, DESI, dont les observations débuteront d'ici la fin 2019. Les structures à grande échelle seront mesurées avec deux traceurs différents de la matière: des quasars d'une part, et des galaxies à raies d'émission (ELG), qui sont des galaxies formant des étoiles, d'autre part. Ces deux traceurs nous permettent de couvrir une large plage de redshift allant de 0.6 à 2.5.



DESI réalisera un relevé 3D de dizaines de millions de galaxies et de quasars en 5 ans sur 14 000 degrés carrés. Les observations auront lieu auprès du télescope Mayall de 4 m en Arizona.



Au cours de sa première année de thèse, l’étudiant participera à la mise en service du nouvel instrument et à la validation du relevé. En particulier, il/elle sera responsable de la validation de la sélection des objets ELG et quasar. Il/elle étudiera ensuite la fonction de corrélation à grande échelle de ces traceurs afin de mesurer la PNG. Avec la première année d'observation de DESI, nous devrions atteindre une sensibilité meilleure que toutes les mesures antérieures reposant sur l'étude des structures à grande échelle.

La distribution de la matière aux échelles cosmologiques peut être prédite dans le cadre du modèle cosmologique standard, et elle dépend entre autres de la masse (inconnue) des neutrinos, et des propriétés de la matière noire dont la nature nous échappe toujours. L'IRFU-DPhP contribue fortement au grand relevé spectroscopique DESI, qui va fournir une cartographie inédite de cette distribution de matière.

Dans cette thèse, on utilisera les observations dite de la forêt Lyman-alpha, qui mesurent l'absorption de l'émission lumineuse des quasars par le milieu intergalactique, et fournissent à ce jour les meilleures observations de la distribution de matière aux "petites" échelles cosmologiques (~mégaparsec). A l'aide des outils les plus à jour, l'étudiant développera un nouvel ensemble de simulations cosmologiques incluant l'hydrodynamique du gaz intergalactique ainsi que les propriétés hypothétiques des neutrinos et de la matière noire. L'étudiant analysera ensuite les toutes premières données en forêt Lyman-alpha de DESI ce qui permettra à la fin du travail de thèse d'obtenir de nouvelles mesures sur la masse des neutrinos ainsi que sur plusieurs scénarios de matière noire ("warm dark matter", "fuzzy dark matter", etc.).

La physique des neutrinos a accompli de remarquables progrès avec la découverte des oscillations. Cela implique que les neutrinos ont une masse non-nulle, ce qui nécessite l'existence des nouvelles particules ou de nouvelles interactions. Cela offre la possibilité d'étudier des phénomènes de violations de CP, qui pourraient être liés à l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers. Ces études nécessitent des faisceaux intenses de neutrinos et de grands détecteurs souterrains comme le projet DUNE en construction aux Etats-Unis. L'équipe de l'IRFU construit un grand démonstrateur (300 tonnes) d'un détecteur à argon liquide de nouvelle génération (dite double-phase) pour DUNE, avec des performances accrues. Ce démonstrateur, situé au CERN de Genève, sera opérationnel en 2019 avec des rayons cosmiques et en 2021 avec un faisceau de particules. Le travail de thèse consiste dans l'analyses de ces données pour comprendre le fonctionnement du détecteur. L'étudiant développera les algorithmes de reconstruction des traces et des gerbes électromagnétiques et hadroniques. Il participera aussi à une R&D des détecteurs à micro-structure afin d'en améliorer les performances.

La Tomographie par Emission de Positrons (TEP) est une technique d’imagerie utilisée largement dans le traitement de cancers et dans les recherches neurobiologiques. Il s’agit de détecter deux photons de 511 keV produits par l’annihilation d’un positon issu d’un traceur biochimique fixé dans les tissus.

Elle image ainsi l’activité biologique des organes.

La détermination précise du point d'annihilation des positons est importante pour reconstruire les images avec un bon contraste, en particulier lors d’études sur le cerveau, mais aussi lors d’études précliniques sur des modèles animaux de rongeurs. La technique « temps-de-vol » utilise la mesure de la différence de temps de détection des deux photons pour améliorer le rapport signal sur bruit et la qualité des images reconstruites.

Le projet ClearMind à l’IRFU travaille sur une technologie de détecteur très innovante : nous anticipons un positionnement des interactions à quelques mm3 et une mesure temps-de-vol avec des précisions meilleures que 50 ps (RMS). Pour permettre ces performances, il sera nécessaire d’inférer les propriétés de l’interaction dans le volume du détecteur, à partir des données acquises en surface. Pour cela nous travaillons sur des techniques d’intelligence artificielle (Réseau de Neurones, Deep Learning etc ...) Puis nous voudrons anticiper la qualité des images d’une future machine basée sur notre technologie.

Dans cette thèse, nous proposons d’abord de travailler sur les algorithmes d’intelligence artificielle nécessaires à la reconstruction d’événements dans le détecteur, et ainsi de mesurer ses performances. Puis de participer à une simulation Monté-Carlo du scanner prévu et à la reconstruction des images.



TRAVAIL PROPOSE.

Le détecteur proposé enregistre les coordonnées spatiales 2D et le temps d'arrivée des photons de scintillation et photons Tcherenkov produits par la conversion gamma dans le cristal. Le travail de thèse consistera à écrire une simulation de détecteur à l’aide de logiciel Géant4, à développer et optimiser la reconstruction de coordonnées et temps de la conversion gamma dans le détecteur en utilisant les algorithmes d'intelligence artificielle (réseau de neurones, arbre de décision boosté, etc). Puis à participer à la simulation du scanner complet

à l'aide du logiciel GATE et à caractériser ces

performances selon les normes NEMA.



COMPÉTENCES REQUISES.

Un excellent profil académique. Connaissances en physique subatomique : interactions rayonnement matière, radioactivité, et instrumentation de détection des particules.

Bonnes connaissances des mathématiques appliquées, être à l'aise dans la programmation C++ et à travailler dans un environnement Unix.

Des connaissances en simulation et en algorithme d’intelligence artificielle seront considérées comme un atout.

La thèse proposée porte sur la détection des neutrinos émis par les réacteurs nucléaires selon le processus de diffusion cohérente, mis en évidence pour la première fois en 2017 avec des neutrinos d’une source de spallation de quelques dizaines de MeV [1]. L’expérience Nu-Cleus [2], qui fait l’objet de la thèse, est actuellement en fin de conception. Elle sera déployée auprès de la centrale nucléaire de Chooz à partir de 2019. Un nouveau site de détection, situé entre les deux cœurs de la centrale sera employé pour la mesure. La détection se fera avec des mini-bolomètres ayant un seuil de détection extrêmement bas, de l’ordre de 10 eV, afin d’observer de faibles reculs nucléaires induits par les neutrinos [3]. Une première phase de l’expérience, entre 2020 et 2021 utilisera une masse de détecteur de l’ordre de 10 grammes. Cette réduction de la masse fiducielle constituera une percée technologique en physique des neutrinos. Un réseau d’une centaine de bolomètres permettra ensuite de conduire un programme de physique innovant : tests du modèle standard et recherche de nouvelle physique à basse énergie (dont les neutrinos stériles), facteurs de forme faibles des noyaux, application à la surveillance des réacteurs.



Le principal travail de thèse comportera le développement d’une chaîne de simulation et d’analyse de données de l’expérience. Cette chaîne sera utilisée pour optimiser la détection, pour effectuer des études de sensibilités, et enfin pour analyser et publier les résultats des mesures. L’étudiant(e) participera aussi à l’intégration de l’expérience sur site, prévue en 2020, suivie par la mise en service des détecteurs. Ce travail se fera en proche collaboration avec l’Université de Munich, le service de Physique nucléaire de l’Irfu, et les équipes du CNPE de Chooz.



L’Irfu est solidement impliqué sur la thématique des neutrinos de basses énergies, avec la mesure de l’angle de mélange theta-13 par l’expérience Double Chooz [4], les applications à la non-prolifération avec l’expérience Nucifer [5], et les recherches de neutrinos stériles par les expériences Stéréo [6] et KATRIN [7].



REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES



[1] D. Akimov et al., Science 03 Aug 2017

[2] Strauss, R., Rothe, J., Angloher, G. et al. Eur. Phys. J. C (2017) 77: 506

[3] J. Bill J.Phys. G44 (2017) no.10, 105101

[4] M. Kaneda, Phys. Part. Nucl. 49 (2018)

[5] M. Pequignot, Nucl. P. P. Proc. 265-266 2015

[6] H. Almazan et al., arXiv:1806.02096

[7] M. Kleesiek, arXiv:1806.00369

Le 14 août 2017 l'expérience ATLAS, au CERN, a publié dans la revue Nature Physics [1] le premier signe direct de la diffusion élastique photon-photon à haute énergie, soit la réaction photon-photon-->photon-photon, confirmant ainsi l'une des plus anciennes prédictions de l'électrodynamique quantique (QED). La mise en évidence expérimentale de ce processus est difficile. En effet, ce phénomène n’est possible qu’en champ électromagnétique (EM) intense avec un champ électrique d’au moins 10^18 V/m. L’expérience ATLAS a utilisé des faisceaux d’ions Plomb à haute énergie 2.5 TeV par nucléon pour produire ces champs intenses. L’interaction des champs EM des 2 faisceaux d’ions Plomb (de directions opposées) permet alors de réaliser les conditions expérimentales appropriées. La publication du 14 août 2017 a ainsi rapporté 13 événements identifiés comme des collisions élastiques de photons (pour un bruit de fond de 2.7 événements). De mi-novembre 2018 à début décembre 2018, une nouvelle prise de données est en cours qui doit permettre d’augmenter ce nombre d’événements d’un facteur 4 à 5, permettant des études plus détaillées qu’une simple observation.

L’objectif de la thèse sera de participer à cette nouvelle analyse. L’étudiant devra contribuer à la compréhension générale des données puis se concentrera sur quelques points précis : par exemple, étudier de manière approfondie les incertitudes systématiques sur la section efficace de l’interaction à 4 photons en fonction de la masse invariante des 2 photons incidents, comme les incertitudes sur les efficacités d’identification de reconstruction des photons. Le spectre en masse des événements de diffusion élastique photon-photon est également essentiel pour un autre aspect innovant de la thèse. Ainsi, dans un premier temps, l’étudiant travaillera sur la mesure de la section efficace de la diffusion élastique photon-photon. Avec plus de données, il sera possible de faire une recherche de nouvelles particules qui peuvent être produites en collisions photon-photon, en particulier une particule scalaire appelée Axion [2] qui joue un rôle important dans la théorie des interactions fortes et qui pourrait également être une source de la matière noire en astrophysique. Avec une bonne compréhension du spectre en masse décrit plus haut, il devient raisonnable de faire une recherche de résonances dans ce spectre (pour chaque masse d’Axion accessible) et, à défaut, d’extraire des limites pour les sections efficaces de production d’Axions. Cette approche dont la faisabilité a été démontrée [2] devra être entreprise par l’étudiant sur les données enregistrées fin 2018. Pour conclure, indiquons que la contribution du groupe du CEA Saclay à la première publication d’ATLAS [1] a été déterminante et que, sur cette lancée, l’environnement au sein du groupe est favorable pour que l’étudiant puisse jouer un rôle important dans ce qui va suivre.



[1] Nature Physics 13, 852–858 (2017)

[2] ATL-COM-PHYS-2018-1113

Le projet BASKET a pour but le développement des détecteurs innovants pour mesurer précisément le processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN) auprès de réacteurs nucléaires. L’intérêt majeur de ce processus réside dans le fait que sa section-efficace peut-être 10 à 1000 fois plus grande que celle des autres canaux de détection utilisés en physique des neutrinos. L’exploitation de la DCNN pourrait donc permettre à terme de réaliser une percée technologique dans le domaine de la détection des neutrinos en réduisant drastiquement la taille des détecteurs jusqu’à quelques kg seulement. Outre cet intérêt technologique, la DCNN est un mode d’interaction des neutrinos encore largement inexploré : il nous permettrait de tester précisément le modèle standard de la physique des particules et de rechercher de la nouvelle physique.

La signature expérimentale de la DCNN est un recul nucléaire dont l’énergie est de l’ordre de 10 à 100 eV en moyenne. Le défi consiste à disposer d’un détecteur sensible à ces très faibles dépôts d’énergie, tout en maintenant un niveau de bruit de fond en-deçà du signal attendu. Plusieurs voies technologiques sont envisageables, chacune ayant leurs avantages et leurs limites.

La voie technologie envisagée dans cette thèse repose sur l’utilisation de détecteurs bolométriques basse température (DBBT), en s’appuyant sur les développements accomplis pour la recherche de matière noire et la recherche de double désintégration bêta sans émission de neutrinos (0vßß). Le but principal de cette thèse est le prototypage d’un DBBT pouvant opérer en surface auprès d’une centrale nucléaire. Ce dernier point est le défi majeur du projet: les DBBTs utilisés pour la recherche d’évènements rares (matière noire ou 0vßß) opèrent habituellement dans des conditions de bruit de fond extrêmement faibles. Opérer de tels détecteurs en surface auprès d’une centrale pour mesurer la DCNN requiert ainsi plusieurs développements pour atteindre les performances suivantes : un seuil en énergie de l’ordre de 10 eV et des temps de réponse de l'ordre de 0.1-1 ms pour maintenir un temps mort raisonnable et discriminer efficacement les bruits de fond externes au détecteur (muons et neutrons venant de l’interaction du rayonnement cosmique dans l’atmosphère). Pendant cette thèse, deux voies seront explorées afin de de concevoir un prototype répondant à ces besoins : la conception de nouveaux cristaux innovants et le développement de senseurs thermiques haute performance basés sur la technologie des « Metallic Magnetic Calorimeter » (MMC) en collaboration avec DRT/LNHB.

Le projet de thèse prévoit l’étude de nouveaux cristaux « lithiés », de type Li2Mo(1-x)WxO4 possédant à la fois des éléments lourds (ici du tungstène) pour la détection de la DCNN et un composé permettant l’identification des neutrons (6Li). Des premiers tests de mise en froid sur un cristal de Li2WO4 couplé à un senseur MMC ont déjà été réalisés. La suite du projet optimisera la géométrie, la taille des cristaux et les MMC pour atteindre des seuils de l’ordre de 10 eV et des temps de réponses de l'ordre de 0.1 ms, objectifs fixés pour la mesure de DCNN. Une fois, les paramètres du détecteur optimal définis, les senseurs thermiques des MMC seront produits par des moyens de microfabrication à la plateforme technologique Paris-Saclay/C2N.