Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Le sujet de thèse proposé a pour but de mesurer les propriétés CP du couplage entre le boson de Higgs et le quark top dans le canal multilepton au sein de l’expérience ATLAS. Découvrir de nouvelles sources de violation CP est une des questions fondamentales de la physique des particules à l’heure actuelle. Les interactions de Yukawa dans le secteur du boson de Higgs peuvent fournir une forme particulièrement attractive pour des sources additionnelles de violation de CP. L’objectif de cette thèse est de mesurer le processus ttH par deux moyens innovants. D’abord de nouveaux algorithmes de reconstruction pour identifier les particules lourdes dans les événements ttH seront développés, ce qui est très ambitieux dans l’état final multilepton. Ensuite l’analyse sera structurée en utilisant exclusivement des observables CP pures. De nouvelles observables basées sur des rapports ou des angles seront explorées, et les mesures seront étudiées dans des régions de l’espace de phase où la séparation entre les différents processus Higgs-top est moins dépendante des propriétés CP du couplage Higgs-top. Cette nouvelle analyse devrait du même coup avoir une sensibilité accrue à des modes plus rares de couplages Higgs-boson comme les processus tHq.

Le sujet de thèse proposé a pour but la recherche de nouvelles sources de violation de CP dans l’univers en étudiant les propriétés du boson de Higgs au LHC, en particulier par des modifications du couplage du boson de Higgs avec la particule élémentaire la plus lourde : le quark top. L’objectif de la thèse est de développer une nouvelle stratégie d’analyse au sein de la collaboration ATLAS pour tester les propriétés CP du couplage ttH en collision proton-proton. L’idée est de mettre en place l’analyse en se basant exclusivement sur des observables CP, afin d'être complémentaire avec les analyses existantes qui suivent une approche plus dépendante de modèles spécifiques. Cette nouvelle analyse devrait du même coup avoir une sensibilité accrue à des modes plus rares de couplages Higgs-boson comme les processus tHq. Les nouvelles observables qui devront être développées seront pensées comme suffisamment flexibles pour être appliquées à un large éventail de canaux de désintégrations du boson de Higgs et du quark top. Elles seront d’abord testées dans le canal multilepton. L’accent sera mis sur la reconstruction des particules lourdes (Higgs et top) de l’état final qui est particulièrement ambitieux dans ce canal.

Tout récemment, un domaine fondamentalement nouveau de l’astronomie et de l’astrophysique a montré ses premiers résultats : l’astrophysique multi-messagers et l’astrophysique en temps réel. La détection simultanée de divers nouveaux messagers astrophysiques (ondes gravitationnelles, rayons gamma à haute énergie et neutrinos à haute énergie) et l’échange et la combinaison de données provenant d’observatoires très différents permettent d’ouvrir de nouvelles fenêtres et de mieux comprendre les phénomènes les plus violents jamais observés.

Des conclusions nouvelles et significatives peuvent être obtenues en combinant ces nouveaux messagers. Les analyses conjointes de données archivées sur différentes longueurs d’onde ont apporté d’énormes connaissances dans le passé et, comme cette technique fournit un retour scientifique assuré et certain, elle sera également utilisée dans le projet de thèse proposé. En même temps, il est clair qu’une autre étape importante augmente considérablement la sensibilité des recherches multi-messagers: la nécessité d’avoir accès à la mine d’informations fournies par l’analyse et la combinaison des données en temps réel. Ce projet de thèse permettra d’ouvrir cette nouvelle fenêtre sur l’univers des hautes énergies : l’astronomie multi-messagers en temps réel à très hautes énergies. La combinaison des différentes particules et radiations dans un système d’alerte en ligne véritablement multi-messagers résoudra plusieurs défis rencontrés en astrophysique des hautes énergies et permettra notamment de détecter et d’étudier les phénomènes transitoires violents qui sont supposés être à l’origine des rayons cosmiques des hautes énergies. Le projet introduira le domaine temporel à l’astrophysique à haute énergie et a le potentiel de provoquer un changement de paradigme dans la façon dont les observations et les analyses de données sont effectuées.

Le cœur du projet proposé sera H.E.S.S., actuellement l’instrument à rayons gamma le plus sensible au monde, et CTA, l’observatoire mondial des rayons gamma à haute énergie de prochaine génération. Nous combinerons leurs données avec les événements enregistrés par IceCube, le plus grand télescope à neutrinos du monde et les interféromètres à ondes gravitationnelles Virgo et Ligo. La détection d’une source transitoire de rayons gamma à haute énergie en coïncidence avec des ondes gravitationnelles ou des neutrinos à haute énergie fournira les preuves longtemps recherchées de leur origine commune et pourrait résoudre la quête séculaire de l’origine des rayons cosmiques à haute énergie.

Nous collaborerons également avec les observatoires radio les plus sensibles du monde (par exemple, les précurseurs du SKA MeerKAT et ASKAP) pour rechercher des contreparties aux explosions radio rapides et, en général, étudier une grande variété de messagers comme les sursaut de rayons gamma ou les éruptions provenant de noyaux galactiques actifs. En analysant les données acquises par les observatoires de rayons gamma à haute énergie en temps réel, il sera également possible d’envoyer des alertes à l’ensemble de la communauté astronomique pour assurer des observations simultanées à d’autres longueurs d’onde.

En astrophysique de haute énergie nous étudions les phénomènes les plus violents de l’univers. L’échange rapide d’informations entre chercheurs et entre observatoires est crucial pour détecter ces événements transitoires, c’est-à-dire de courte durée. Une variété grandissante d’observatoires, couvrant toutes les longueurs d’onde et tous les messagers cosmiques y participent. Victime de son propre succès, la manière actuelle de lire, d’analyser et de classer manuellement les informations partagées par les astrophysiciens approche la saturation. L’une des nouvelles approches les plus prometteuses est de s’appuyer sur les progrès récents dans le domaine de l’intelligence artificielle et surtout du traitement du langage naturel et de l’extraction d’informations.



Cette thèse réunira des experts de premier plan dans deux domaines passionnants : l’intelligence artificielle et l’astrophysique multi-messager. Elle s’inscrira dans le cadre du programme UDOPIA de l’université Paris-Saclay et bénéficiera d’un riche écosystème d’intelligence artificielle ayant des liens étroits avec l’industrie.

Au cours des 30 dernières années, l‘étude de l’Univers a conduit à l’émergence d’un modèle standard de l’Univers basé sur la relativité générale. Dans ce modèle, l’Univers est formé de matière ordinaire, de matière noire et d’une mystérieuse composante appelée « énergie noire », responsable de l’accélération récente de l’expansion de l’Univers. Les grands relevés qui s’apprêtent à prendre des données, comme DESI aux Etats-Unis, permettront de réaliser une cartographie 10 fois plus précise qu’actuellement de la répartition des galaxies dans l’Univers. La communauté scientifique s’organise pour définir les méthodes d’analyse des données afin extraire le maximum d’information de ces relevés et d’entrer ainsi dans l’ère de la cosmologie de précision notamment sur la mesure du taux de croissance des structures. Cette thèse propose l’approche originale d’utiliser la densité à grande échelle pour améliorer sensiblement la précision sur cette mesure, dans le but de renforcer les tests de la relativité générale et de rechercher d’éventuelles déviations.

Cette thèse se déroulera à l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers au CEA-Saclay. Le futur doctorant sera intégré au groupe de cosmologie de l'Irfu/DPhP, composé de 10 physiciens, 4 doctorants et 2 post-docs. Présent et moteur dans les expériences eBOSS et DESI, le groupe participe également à Euclid et a eu par le passé une forte contribution dans SNLS, Planck et BOSS, toutes expériences organisées en collaborations internationales. Le futur doctorant sera intégré à la collaboration DESI dont il analysera les données et bénéficiera pour ce faire de toute l’expertise du groupe déjà acquise sur BOSS et eBOSS.

Les amas de galaxies, situés aux nœuds de la toile cosmique, sont les plus grandes structures de l’Univers liées par la gravitation. Leur nombre et leur distribution spatiale sont très sensibles aux paramètres cosmologiques. Les amas constituent ainsi une sonde cosmologique performante. Elle a fait ses preuves ces dernières années (sondages Planck, South Pole Telescope, XXL, etc.) et promet de grandes avancées les prochaines années (sondages Euclid, Observatoire Vera Rubin, CMB-S4, etc.).



Les prédictions théoriques du nombre d’amas et de leur distribution spatiale sont fonction des paramètres cosmologiques et de la masse des amas. Pour remonter aux paramètres cosmologiques à l’aide des sondages d’amas, il faut donc être capable de mesurer la masse des amas avec précision. L’erreur sur la mesure de masse est aujourd’hui l’erreur systématique principale pour la mesure des paramètres cosmologiques avec les amas. C’est pourquoi il est crucial d’améliorer cette mesure et de maitriser les erreurs associées.



La méthode la plus directe de mesure de masse des amas repose sur l’effet de lentille gravitationnelle. Celle-ci est maintenant utilisée de façon routinière dans les sondages aux longueurs d’onde visibles : un amas induit des distorsions de forme des galaxies d’arrière-plan. A partir de l’étude de ces distorsions, il est possible de reconstruire la masse de l’amas. Récemment, il a été possible de détecter ces distorsions aux longueurs millimétriques sur le fond diffus cosmologique (ou cosmic microwave background, CMB en anglais) au lieu des galaxies d’arrière-plan et de remonter à la masse des amas de cette façon. L’avantage principal d’utiliser le fond diffus cosmologique est qu’il est situé à très grande distance ce qui permet de mesurer la masse d’amas lointains ; il n’est pas possible de le faire avec les galaxies qui sont trop peu nombreuses en arrière-plan d’amas lointains.



L’Irfu/DPhP a développé les premiers outils de mesure de masse des amas de galaxies par effet de lentille gravitationnelle sur le fond diffus cosmologique pour la mission satellite Planck. Le travail de thèse consistera dans un premier temps à s’approprier ces outils puis les faire évoluer pour les rendre compatibles avec les données sol. Ils seront alors appliqués aux données publiques SPT-SZ puis SPT-SZ+Planck conjointement (https://pole.uchicago.edu). Les donnée ACT ont été rendues publiques (https://act.princeton.edu) récemment et une analyse jointe ACT+Planck sera aussi réalisée.



Dans un second temps, les outils seront utilisés pour établir des stratégies d’observation et calculer les temps d’intégration nécessaires pour mesurer la masse des amas à partir des expériences millimétriques haute résolution au sol type NIKA2 (http://ipag.osug.fr/nika2/), seules puis conjointement avec Planck.



Les méthodes actuellement développées sont optimales pour les cartes en intensité totale et pour un régime en signal-sur-bruit faible comme présenté dans la figure ci-dessus. Les expériences futures auront un niveau de bruit beaucoup plus bas et seront très sensibles à la polarisation. Dans un troisième temps de la thèse, il faudra explorer de nouvelles méthodes d‘extraction de masse spécifiquement destinées aux futures expériences d’observation du fond diffus cosmologique comme CMB-S4 (https://cmb-s4.org), PICO (arXiv:1902.10541) ou CMB Backlight (arXiv: 1909.01592).

Enfin, on étudiera la précision sur les paramètres cosmologiques que l’on peut espérer obtenir à partir des catalogues d’amas, compte tenu des précisions attendues dans ces expériences futures sur la mesure de masse.

Description et problématique :



La communauté des détecteurs gazeux micro-structures (MPGD) présente un intérêt de plus en plus marqué pour les matériaux résistifs. Un effort international est en cours pour le développement et l'exploitation de cette technologie novatrice. Les principaux avantages sont liés à la stabilité face aux décharges électriques et plus récemment à l'amélioration de la résolution spatiale pour la lecture de charge de détecteurs comme les chambres à projection temporelle (TPC). Ces avancées permettront la production de détecteurs à la pointe de la technologie. En particulier pour les Micromegas, inventés à l'IRFU, cette technologie sera un élément crucial pour les programmes de physique visant l'étude des oscillations de neutrinos, un secteur très prometteur pour la recherche de nouvelle physique.



Les expériences T2K ou NOvA mènent à l'heure actuelle l’étude des oscillations de neutrinos utilisant un faisceau de neutrinos muoniques produit par des accélérateurs de particules. Le concept de DUNE est similaire avec une puissance de faisceau et une ligne de base plus importantes. Les neutrinos produits par l'interaction du faisceau avec une cible sont détectés sur deux sites: le détecteur proche à ~ 540 m et le détecteur lointain à ~1300 km. La synergie entre les détecteurs aux deux sites permet de mesurer les paramètres régissant l'oscillation des neutrinos et de réduire un grand nombre d'incertitudes liées au flux ou encore à la section efficace d'interaction des neutrinos. Cela devrait permettre une mesure précise de la phase de violation de CP ainsi que de la hiérarchie de masse des neutrinos. La mesure de la violation de CP dans le secteur leptonique serait une découverte majeure.



Le monitoring du faisceau pour DUNE sera effectué par le détecteur SAND, utilisant des Micromegas résistifs dans les TPCs servant à la mesure de traces. La construction du détecteur proche de DUNE devant se terminer en 2026, les prochaines années vont être cruciales pour le développement des technologies nécessaires.



Ce programme de physique nécessitera l'opération de TPCs fonctionnant de manière stable et fiable pendant plus de dix ans. Des études sur la caractérisation des propriétés des matériaux résistifs ou encore leur vieillissement face à des utilisations sur de longues durées, en présence de radiation ou dans des conditions extrêmes (courant de forte intensité, chute ou augmentation brutale de la température) sont ainsi nécessaires.



Description du groupe, laboratoire, encadrement :



La technologie Micromegas a été inventée à l'IRFU et le groupe neutrino aux accélérateurs a été au cœur des développements sur les Micromegas résistifs pour l'ILC. Cette participation se poursuit avec le déploiement actuel de la technologie pour le détecteur proche de T2K et les développements pour DUNE/SAND. Le groupe est composé de 6 permanents et 2 étudiants en lien avec les Micromegas résistifs. Les physiciens impliqués directement dans SAND forment une jeune équipe dynamique qui bénéficiera de l'expertise du groupe tout en développant la sienne sur une expérience amenée à opérer de nombreuses années.



L'étudiant(e) bénéficiera également de la collaboration avec les services techniques de l'IRFU/DEDIP, l'un des leaders internationaux du développement de MPGD. Des outils très avancés sur les détecteurs, l'acquisition, le slow-control et l'électronique lui seront ainsi accessibles. Des partenariats avec d'autres instituts de recherche (CERN, etc.) et des industriels existent et seront renforcés dans le contexte de ce travail.







Travail proposé :



L'étudiant(e) se concentrera sur la compréhension et la caractérisation détaillée de la feuille resistive utilisée pour les Micromegas résistifs. Les performances de ces détecteurs, cruciales pour la sensibilité de l'expérience, dépendent en grande partie de la résistivité et de la stabilité de ces feuilles et des études sont nécessaires avant la production des détecteurs d'ici fin 2025. Un certain nombre d'infrastructures sont disponibles au CEA (microscopie, faisceaux d'ions, etc.) et des partenariats internes seront ainsi développés. Le CERN sera un partenaire clé de ces études, de part l'acquisition prochaine des installations nécessaires à la production du matériau résistif.



L'étudiant(e) participera également à l'optimisation sur banc de test et par simulations du design des Micromegas résistifs pour les TPCs de SAND. Des tests en cosmiques et en faisceau seront nécessaires pour la caractérisation des détecteurs en conditions réelles. Ces tests seront effectués sur les lignes de faisceau du CERN et/ou de DESY ainsi que sur les infrastructures présentes à l'IRFU.

L'analyse des données de ces tests, qui s'effectuera en collaboration avec un chercheur post-doctoral, sera une des activités principales et pourra donner lieu à une publication. La construction du détecteur proche de T2K devant être terminée pour l'été 2022, l'étudiant(e) pourra, dès son stage, participer aux tests des détecteurs résistifs dans le cadre de la production pour un détecteur final.



Une autre activité possible utilisant les simulations du détecteur SAND dans son ensemble, permettra de réévaluer les incertitudes systématiques théoriques à l'aide de nouveaux modèles d'interaction neutrino-nucléon, contribution importante pour la sensibilité de SAND pour les mesures d'oscillations sur DUNE.



Formation et compétences requises :



Un Master en physique des particules avec des connaissances sur le Modèle Standard ou en lien avec la caractérisation de couches minces est un préalable à cette thèse. Un intérêt marqué pour l'instrumentation est souhaitable et une motivation pour la physique des astroparticules est un plus indéniable. Une initiation aux langages C++ et à ROOT sera également très utile. Des connaissances sur les méthodes de caractérisation de couches minces ainsi que la volonté de travailler à l'interface avec des partenaires académiques et industriels seront un atout majeur.



Compétences acquises :



L'étudiant(e) aura à la fin de sa thèse une bonne connaissance des détecteurs et outils informatiques utilisés dans une collaboration de physique des particules de part son implication dans leurs développements. Ses connaissances techniques sur les détecteurs ainsi que sur les méthodes d'analyse de données et de simulations pourront être valorisées dans d'autres contextes.



Collaboration/Partenariats :



L'étudiant(e) travaillera au sein de la collaboration internationale DUNE, comptant plus d'un millier de membres avec une forte contribution en Europe. Cela lui permettre d'acquérir une bonne expérience en physique des particules et une visibilité conséquente en participant notamment à des Écoles de Physique, ateliers et conférences où ses résultats seront présentés. Des collaborations avec des industriels seront également créées et développées, pour partie sous l'impulsion de l'étudiant(e).

Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre de l’expérience NUCLEUS, qui a pour but de mesurer précisément le processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN) sur la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes. Bien qu’aux énergies du ~MeV, la DCNN soit le mode prépondérant d’interaction des neutrinos avec la matière, elle est restée très longtemps inobservée à cause de la difficulté à mesurer les faibles reculs nucléaires qu’elle produit. Ce n’est que 40 ans après sa première prédiction que ce processus a été observé pour la première fois en 2017 avec des neutrinos de quelques dizaines de MeV au laboratoire d’Oak Ridge, Tennessee. La première détection du processus sur un réacteur nucléaire reste à faire, notamment parce que les reculs nucléaires correspondants se situent dans une gamme en énergie (~100 eV) difficilement mesurable avec des technologies de détection conventionnelles, mais aussi à cause des conditions de bruit de fond généralement défavorables qu’offre l’environnement d’une centrale nucléaire. La collaboration NUCLEUS travaille ainsi à la conception d’un système de détection utilisant deux réseaux de calorimètres cryogéniques capables d’atteindre des seuils de l’ordre de 10 eV, et entourés par un double système de blindages cryogéniques instrumentés. Cet ensemble de détecteurs cryogéniques sera lui-même protégé par un blindage radiologique externe et par un véto muon pour améliorer l’identification et la discrimination des bruits de fond typiquement présents sur un site expérimental en surface tel que celui identifié à Chooz. Avec ce système, NUCLEUS a pour objectif une mesure précise de la DCNN afin de pousser l’étude des propriétés fondamentales du neutrino ainsi que la recherche de nouvelle physique vers les basses énergies, domaine qui reste aujourd’hui largement inexploré. La DCNN se distingue d’autre part des canaux usuels de détection des neutrinos du MeV (désintégration beta inverse, diffusion neutrino-électron), par une section efficace 10 à 1000 fois supérieure, permettant d’entrevoir à terme une miniaturisation des détecteurs de neutrinos à longue portée. La première phase de l’expérience NUCLEUS déploiera ainsi réseau de calorimètres cryogéniques composé de cristaux de saphir (Al2O3) et de tungstate de calcium (CaWO4) totalisant 10 g de détecteur.



Outre la caractérisation et l’aménagement du site expérimental à Chooz, notre équipe à l’Irfu travaille au cœur des problématiques de bruit de fond à travers plusieurs développements instrumentaux. Le DPhP est notamment fortement impliqué dans la réalisation de l’un des blindages cryogéniques instrumentés de l’expérience, appelé ici véto cryogénique externe. Ce dernier consiste en un arrangement de cristaux de Germanium haute pureté, érigé hermétiquement tout autour des deux réseaux de calorimètres cryogéniques, et opérés en mode ionisation. Ce système de détection jouera un rôle central pour l’indentification et la discrimination des bruits de fond venants de l’extérieur, tels que la radioactivité ambiante ou les muons atmosphériques issus de l’interaction du rayonnement cosmique primaire dans l’atmosphère. L’exploitation des données délivrées par ce détecteur est une entrée naturelle dans l’effort d’analyse des premières données de l’expérience, qui arriveront en 2021/2022 lors de la phase d’assemblage à blanc dans les locaux de l’université technique de Munich, et lors du premier run de physique prévu en 2023 à Chooz.



Le travail proposé dans cette thèse s’articulera donc autour du véto cryogénique externe de l’expérience, avec l’objectif ultime de comprendre et de caractériser finement les bruits de fond dans la région d’intérêt du signal DCNN, entre 0.01 et 1 keV. La priorité en début de thèse sera mise sur la réalisation et la mise en service du véto cryogénique externe lors de la phase d’assemblage à blanc à Munich. Ce travail comprend l’assemblage des différents éléments du détecteur (cristaux, mécanique de support, électronique de lecture, etc.) dans le cryostat de l’expérience, et inclut l’ensemble des tests à mener pour valider le fonctionnement et qualifier les performances de ce détecteur.

Dans un second temps, l’étudiant(e) montera en puissance sur l’effort d’analyse des données de l’expérience en contribuant au développement d’outils d’analyse et de simulation pour exploiter les mesures de bruit de fond et les données d’étalonnage des détecteurs acquises lors de la phase d’assemblage à blanc et lors du premier run de physique. Il (elle) pourra se concentrer sur l’étude d’une source spécifique de bruit de fond externe, et quantifier son impact sur le potentiel de physique de l’expérience. Ce travail nécessitera non seulement une bonne compréhension des processus gouvernant les interactions rayonnement-matière, mais aussi une bonne maitrise de la physique du solide sous-jacente au fonctionnement des détecteurs cryogéniques (par exemple, propagation des phonons). Pour terminer, l’étudiant(e) utilisera les premières données issues du run de physique à Chooz pour mener une étude originale sur la recherche de nouvelle physique avec la DCNN (mesure de l’angle de Weinberg à basse énergie, recherche de nouveaux couplages des neutrinos à la matière, études des propriétés électromagnétiques du neutrino, etc.). Ce travail nécessitera de mettre en place des outils fins de traitement statistique des données, afin d’une part de comprendre l’impact des différentes sources d’incertitudes sur les contraintes obtenues, et d’autre part de garantir la fiabilité des résultats.

Cette thèse propose de mettre en lumière la nature du couplage entre le boson de Higgs et le quark top grâce à des algorithmes d’intelligence artificielle en exploitant le grand lot de données collecté par l’expérience ATLAS au grand collisionneur de Hadrons (LHC). Le défi est d’extraire des processus à la fois rares et complexes de l’énorme quantité de données du LHC. Les deux processus rares étudiés seront la production du boson de Higgs avec une paire de quarks top et la production de quatre quarks top. Ces deux processus combinés peuvent permettre de déterminer la nature du couplage entre la pierre angulaire du modèle standard, le boson de Higgs, et la particule élémentaire la plus massive, le quark top, et de révéler de nouvelles sources d’asymétries entre matière et anti-matière. Découvrir de telles sources est une des questions essentielles de la physique actuelle afin d’expliquer le fait que notre univers n’est composé aujourd’hui que de matière. Les deux méthodes innovantes envisagées pour l’étude de ces processus sont basées sur l’utilisation de techniques d’apprentissage profond. D’abord l'apprentissage non supervisé (au sens statistique) sera testé pour la première fois pour reconstruire ces états finals complexes avec cinématiques sous contraintes due aux neutrinos manquants. Ensuite, des observables basées sur une reconstruction complète ou partielle des particules de l’état final permettront d’améliorer les performances de l’extraction de ces signaux rares et ainsi de mettre en place une mesure sensible pour la première fois à la nature du couplage Higgs-top. Explorer ces nouvelles stratégies de reconstruction et de classification apporteront également les bases pour comprendre comment exploiter au mieux l’immense quantité de données attendue dans les années ‘haute luminosité’ du LHC.

En juillet 2012, les collaborations ATLAS et CMS ont annoncé la découverte d'une nouvelle particule d'une masse d'environ 125 GeV au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN. Depuis cette découverte, les deux collaborations étudient activement les propriétés de cette nouvelle particule, jusqu’à présent cohérentes avec celles du boson de Higgs du modèle standard.

Dans le modèle standard, le mécanisme de Brout-Englert-Higgs prédit que le boson de Higgs interagira avec les particules de matière (quarks et leptons, appelés fermions) avec une force proportionnelle à la masse de la particule. Il prédit également que le boson de Higgs interagira avec les particules vecteurs de force (bosons W et Z) avec une force proportionnelle au carré de la masse de la particule. Par conséquent, en mesurant les taux de désintégration et de production du boson de Higgs, qui dépendent de la force d'interaction avec ces autres particules, on peut effectuer un test fondamental du modèle standard.

Les collaborations ATLAS et CMS ont déjà observé la désintégration du boson de Higgs en lepton tau, appartenant à la troisième « génération » de fermions. Étant donné que les muons sont beaucoup plus légers que les leptons tau, la désintégration du boson de Higgs en une paire de muons devrait se produire environ 300 fois moins souvent que celle d'une paire de leptons-tau. Malgré cette rareté, la désintégration H ’ µµ offre la meilleure occasion de mesurer l'interaction du boson de Higgs avec les fermions de deuxième génération au LHC, fournissant de nouvelles informations sur l'origine de la masse pour différentes générations de fermions. Les collaborations ATLAS et CMS ont récemment présenté des résultats sur cette désintégration en utilisant l'ensemble de données pendant la 2eme phase du LHC (Run-2 de 2015 à 2018). L’étude de ce processus constitue un des principaux objectifs de la troisième phase du LHC (Run-3).

Le but de cette thèse est la recherche de boson de Higgs se désintégrant en deux muons par l’analyse de l’ensemble des données du Run-3 et en les combinant avec les données précédentes de la deuxième phase (Run-2) afin d’établir la découverte de la désintégration du boson de Higgs en deux muons et contraindre les théories de physique possibles au-delà du modèle standard qui affecterait ce mode de désintégration du boson de Higgs. La thèse comprendra également des travaux sur l’évaluation des performances du spectromètre à muons d’ATLAS. Un intérêt particulier sera porté à la compréhension, l’analyse et l'exploitation des détecteurs gazeux de type MicroMegas. La phase-I de l’upgrade du détecteur ATLAS a pour but de se préparer aux hautes luminosités qui fournira le LHC. Dans ce cadre, les 2 grands plans de détection appelés NSW (New Small Wheel) seront équipés de nouveaux détecteurs de type MicroMegas et vont remplacer une partie du spectromètre à muons d'ATLAS, et être opérationnels pour le redémarrage du LHC en 2022.

L'objectif final de cette thèse est la réalisation de la toute première image 3D d'un réacteur nucléaire par une méthode non-invasive, en l’occurrence la muographie. Cette technique d’imagerie pénétrante a bénéficié d’améliorations technologiques majeures ces dernières années, notamment grâce aux innovations issues du CEA. Les télescopes à muons ont ainsi révélé des images 2D inédites de très grandes structures comme la pyramide de Kheops ou un réacteur nucléaire. Récemment un algorithme combinant ces images 2D en une tomographie 3D a été mis au point et testé avec succès, malgré le faible nombre de projections et l’immense taille du système matriciel associé. Le travail de cette thèse consistera à appliquer cet algorithme à des mesures en cours auprès d’un réacteur en démantèlement. L’étudiant(e) participera activement aux prises de données, à leur analyse et aux simulations associées. Il/Elle testera d’abord cet algorithme sur des objets plus petits, notamment des fûts de déchets dans des environnements divers, dans le but de comprendre et d’optimiser le fonctionnement de l’algorithme. Ces étapes intermédiaires, au-delà de leur intérêt propre, permettront de mieux déterminer les différents paramètres de l’algorithme mais aussi des futures prises de vue auprès du réacteur (positions, orientations, temps de pause respectifs, etc.). A travers l’ensemble de ces travaux, l’objectif est ainsi de développer un outil d’imagerie 3D générique totalement novateur dans le secteur de l’assainissement et du démantèlement, mais qui trouvera naturellement de nombreuses autres applications sociétales et académiques.

Cette thèse propose de tester l’application d’algorithmes d’intelligence artificielle dans le domaine des données massives de deux manières innovantes en exploitant le grand lot de données collecté par l’expérience ATLAS au grand collisionneur de Hadrons (LHC). Le défi est d’extraire des processus à la fois rares et complexes de l’énorme quantité de données du LHC. Des techniques d’apprentissage profond de pointe seront explorées d’abord pour reconstruire des états finaux complexes avec cinématiques sous contraintes. Ceci devrait permettre de reconstruire les énergies et impulsions des particules produites dans une réaction au LHC tout en respectant un certain nombre de lois de conservation. Ensuite des algorithmes d’apprentissage profond seront mis en place pour extraire des signaux rares. Ces nouveaux développements en physique des hautes énergies seront appliqués à deux processus rares et complexes (ttH et 4-top). Ces deux processus combinés peuvent permettre de tester la vraie nature du couplage entre la pierre angulaire du modèle standard, le boson de Higgs, et la particule élémentaire la plus massive, le quark top, et de révéler de nouvelles sources d’asymétries entre matière et anti-matière. D'abord, l'apprentissage non supervisé (au sens statistique) sera testé pour la première fois pour reconstruire un état final. Ensuite des observables basées sur une reconstruction complète ou partielle des particules de l’état final permettront d’améliorer la possibilité d’extraire les signaux rares en utilisant par exemple des Graph Neural Networks (GNN).

Explorer ces nouvelles stratégies de reconstruction et de classification donneront les bases pour comprendre comment exploiter au mieux l’immense quantité de données attendue dans les années avenir au LHC.

Le processus de diffusion de bosons vecteurs, pp’VV+jj+X, ou V=W,Z, est caracterise par la presence dans l'etat final de leptons provenant de la desintegration du W ou du Z, et de jets de haute energie a l'avant du detecteur. Les processus de diffusion de WW, WZ and ZZ ont tous ete observes au Run2, avec des echantillons partiels. La prochaine etape pour la communaute, dans ce domaine, est d'affiner la visibilite du signal grace a des selections d'evenement amelioree, une meilleure rejection du bruit de fond, et des echantillons plus importants.

On pourra alors confronter les predictions du Modele Standard avec le resultat de l'analyse des donnees.

Cette mesure constitue un test essentiel du couplage entre le boson de Higgs et les bosons vecteurs, et du Modele Standard dans son ensemble.

Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les efforts des expériences LHC sont focalisés sur la recherche de

phénomènes nouveaux, au-delà du Modèle Standard. Un des aspects importants dans la comparaison entre les observations

et la théorie est d’être capable de normaliser aussi précisément que possible les observations par rapport à la théorie,

donc de mesurer aussi précisément que possible la luminosité de l’accélérateur. L’objectif est d’atteindre une précision

meilleure que 1% au cours des prochaines années, ce qui est un facteur deux à trois meilleur que la précision atteinte

actuellement.



Lors du redémarrage du LHC début 2022, il est prévu d’accroître la luminosité de la machine d’un facteur deux environ.

Pour exploiter au mieux cette augmentation de luminosité, le système de déclenchement du calorimètre a été largement revu. Il sera basé sur l’analyse en temps réel des signaux numérisés à la volée, par des batteries de composants programmables.

Une caractéristique importante de ce nouveau système de déclenchement est sa capacité à mesurer pour chaque collision

entre deux paquets de protons l’énergie totale déposée dans le calorimètre. Combiné à la stabilité, l’excellente

linéarité et à l’uniformité de réponse du calorimètre à argon liquide d’ATLAS, le nouveau système de déclenchement offre

le potentiel d’une mesure de la luminosité avec d’excellentes caractéristiques en termes de linéarité et de stabilité.

Une voie très prometteuse est l’utilisation de réseaux de neurones, qui peuvent avoir vocation à être implémentés

directement dans le FPGA assurant le traitement des données numérisées.



Une autre caractéristique du système de déclenchement est sa capacité unique à garder trace de l’historique des

interactions dans le détecteur sur un temps nettement plus long que ce que peut faire le système de lecture central.

Ceci permettra à terme, pour les prises de données prévues au-delà de 2025 de compenser en temps réel l’effet de la

charge d’espace générée sur la mesure d’énergie du détecteur. Surtout, cette caractéristique ouvre la possibilité de

détecter des particules dont la désintégration survient longtemps (plusieurs dizaines ou centaines de ns, à comparer

aux 25 ns entre deux croisements consécutifs) après leur création, donc lentes et très massives, presque jusqu’à la

limite cinématique de 7 TeV, bien au-dessus de la limite atteignable par des techniques de recherche plus classiques. De

telles particules apparaissent dans de nombreuses classes de modèles supersymétriques.

L'objectif de la thèse est une mesure précise d’un paramètre fondamental du Modèle Standard de la physique des particules, la masse du boson W, en étudiant ses désintégrations leptoniques, avec le détecteur ATLAS au LHC. L'analyse sera basée sur un lot de données à bas taux d'empilement, collecté spécialement pour cette mesure. Ces données ont une luminosité limitée, mais une résolution optimale pour la reconstruction de l'énergie transverse manquante, ce qui est une condition nécessaire pour l'analyse d'états finals avec des neutrinos.



Le candidat s'impliquera dans l'installation et la mise en route de la "New Small Wheel", nouveau détecteur à muons équipant la partie avant d'ATLAS. L'IRFU a joué un rôle prépondérant dans sa construction et s'impliquera fortement dans son exploitation scientifique. Il s'agira de plus de calibrer l'instrument avec une précision suffisante pour la mesure. La deuxième phase du projet consiste à améliorer la modélisation du processus de production et de désintégration des bosons W et d'optimiser l'analyse en tant que telle afin de minimiser l'incertitude finale de la mesure. Le résultat de la mesure sera interprété en termes de compatibilité avec la prédiction du Modèle Standard ou comme indication de la présence de nouvelle physique.

La the`se de´butera a` l'automne 2021. ATLAS, l'une des expe´riences majeures du LHC au CERN, se pre´pare a` l'augmentation de luminosite´ attendue au Run3 et au HL-LHC. La premie`re partie de la the`se est consacre´e a` une ta^che de qualification qui pourrait consister soit a` participer a` la mise en service des nouveaux de´tecteurs de muons de l'expe´rience, soit a` participer a` l'effort d'e´talonnage des impulsions des muons en vue du Run3, qui de´butera en 2022. Les deux options sont e´troitement lie´es au sujet principal de la the`se. La the`se sera suivie par une mesure de physique de pre´cision dans le domaine du boson Z avec les donne´es d'ATLAS.

Le sujet se concentre sur la physique de pre´cision e´lectrofaible dans ATLAS. Le but est de mesurer avec la meilleure pre´cision possible l'angle de me´lange e´lectrofaible, ainsi que la masse du boson Z, en utilisant les donne´es Run2 et Run3. Le canal explore´ est celui du boson Z se de´sinte´grant en une paire muon-antimuon. L'e´tudiant travaillera sur l'e´talonnage de l'impulsion des muons en utilisant la re´sonance J/Psi comme chandelle standard, et re´duira e´galement, gra^ce a` des me´thodes d'ajustement avance´es, les incertitudes lie´es aux fonctions de distribution des partons (PDF). Ces mesures devraient conduire a` une forte ame´lioration de l'ajustement e´lectrofaible et ainsi contraindre conside´rablement le Mode`le Standard, ainsi que la physique au-dela` du Mode`le Standard.



Le groupe ATLAS au CEA Paris-Saclay participe à plusieurs améliorations du détecteur à moyen et long terme: le remplacement d’une partie des chambres à muons du spectromètre à muons (New Small Wheel), l’amélioration du système de déclenchement du calorimètre électromagnétique, ainsi que le remplacement du système interne de détection des traces chargées (ITK). Il a une expertise mondialement reconnue en physique de précision électrofaible, à savoir avec les mesures de sections efficaces des bosons Z, W et de Higgs ainsi qu’à travers la mesure de masse du boson W, réalisée pour la première fois au LHC. Cette expertise repose sur de solides compétences dans la reconstruction des muons et l’alignement du spectromètre à muons, ainsi que dans l’identification des électrons et des photons.

Le Modèle Standard (MS) de la physique des particules a été testé intensivement au cours des décennies passées et accommode très bien les mesures expérimentales. Son dernier succès est la découverte du boson de Higgs au LHC en 2012. Pourtant, le MS a de nombreuses zones d'ombre. De nombreuses propriétés des interactions et particules n'y trouvent pas d'explication, comme le nombre des familles de particules ainsi que leurs différences de masse. De plus, le MS a de nombreux paramètres libres à déterminer expérimentalement, ce qui suggère que ce n'est qu'une théorie effective à basse énergie. De manière plus importante, il n'explique pas l'origine de la matière noire ou de l'énergie noire observées expérimentalement. Alors que les physiciens théoriciens cherchent à résoudre ces problèmes en élaborant de nouveaux modèles, les expérimentateurs essaient de mettre en évidence de la physique au delà du MS, ou 'nouvelle physique', soit via des mesures de précision qui pourraient, ensemble, mettre en défaut le MS, soit via des recherches directes de nouvelles particules. L'objet de cette thèse est de mener une telle recherche directe au LHC dans le canal en deux photons et dans une gamme de masse encore inexplorée.



En 2012, les collaborations ATLAS et CMS au LHC ont découvert conjointement un nouveau boson compatible avec le boson de Higgs, à une masse de 125 GeV. L'analyse des données dans le canal en deux photons, un des plus sensibles, avaient alors couvert une gamme de masse entre 110 et 150 GeV. Cependant, dans de nombreux modèles au delà du MS, la possibilité d'une résonance à plus basse masse qui existerait conjointement à la particule découverte à 125 GeV existe (modèles à deux doublets de Higgs par exemple). Il est donc de première importance de rechercher des particules nouvelles au LHC dans la région de masse 'basse'. Le canal en deux photons permet, grâce à la mesure de précision de l'énergie des photons dans le calorimètre électromagnétique de CMS, de mesurer la masse d'une potentielle nouvelle résonance avec une grande précision et est donc bien adapté à ce type de recherche. Les recherches publiées au LHC couvrent une gamme de masse descendant jusqu'à 65 GeV. Cependant des mesures intéressantes sont possibles en principe jusqu'à une dizaine de GeV, comme cela est discuté dans les deux références jointes. Étendre au maximum la gamme de masse vers le bas est ce que propose ce sujet de thèse.

Le moment est parfaitement choisi pour mener à bien ce sujet. Le run 3 du LHC devrait commencer dans la première moitié de 2022 et permettre d'acquérir environ 130 fb-1 de nouvelles données. Cette recherche à très basse masse n'a jamais été faite dans CMS. Les triggers du run 2 n'étaient pas optimisés pour une telle recherche, leur coupure en impulsion transverse étant trop haute pour avoir une bonne efficacité. Au run 3, la possibilité d'adapter le trigger reste ouverte. De plus, les données du run 2 peuvent tout de même être utilisées pour mettre une limite dans cette région complètement vierge, grâce aux événements boostés. Cette recherche ambitieuse est d'ailleurs en cours dans ATLAS, bien que pas encore publique.

Le sujet de thèse proposé a pour but d’observer pour la première fois la production de quatre quarks top (tttt) en utilisant une signature multilepton dans les données collectées avec l’expérience ATLAS. La production de quatre quarks top est un des états finaux les plus spectaculaires accessibles au LHC. Étant attendue comme petite dans le modèle standard, la section efficace tttt peut être beaucoup plus grande dans des scenarii de nouvelle physique. Le processus tttt est aussi sensible aux propriétés fines du couplage de Yukawa entre le quark top et le boson de Higgs. Étudier cette classe d'événements sera crucial dans les années à venir pour comprendre la vraie nature de l’interaction Higgs-top et potentiellement révéler de subtiles déviations par rapport au modèle standard.

Plusieurs innovations seront explorées pour parvenir à observer le processus tttt. D’abord une meilleure séparation entre le signal et les différents bruits de fond sera étudiée en utilisant des méthodes d’intelligence artificielle et par une meilleure compréhension du bruit de fond ttW. Un autre axe de développement sera mis en œuvre basé sur la possibilité de reconstruire les différents quarks top de l’état final, ce qui est particulièrement ambitieux dans ce canal.

Atteindre une mesure du processus tttt permettra d’étudier une propriété clé de l’interaction entre le quark top et le boson de Higgs: le nature CP du couplage Higgs-top. Enfin le processus tttt devra être séparé de la production de trois quarks top, production qui est totalement inexplorée expérimentalement à l’heure actuelle.

Les nouvelles techniques d’intelligence artificielle suscitent un intérêt croissant pour gérer le volume massif de données collectées par les expériences de physique des particules en particulier au collisionneur LHC. Cette thèse propose d’étudier ces nouvelles techniques pour la simulation du bruit de fond d’événements rares provenant de la désintégration en deux muons du boson de Higgs ainsi que de mettre en place de nouvelle méthode d’intelligence artificielle pour extraire ces événements rares du gigantesque bruit de fond dimuon.

En 2012, le boson de Higgs, élément fondamental du modèle standard de la physique des particules a été découvert au LHC. La mise en évidence de sa désintégration en dimuon est maintenant au cœur du programme du LHC afin de mesurer le couplage du boson de Higgs aux particules de 2ème génération.

Simuler le bruit de fond dimuon avec suffisamment de statistique est la première challenge de cette analyse. La thèse se propose de tester, pour la première fois, l’utilisation de modèles d’intelligence artificielle très prometteurs comme méthode de simulation en utilisant des « Generative Adversarial Networks (GANs) ” avec une architecture à deux réseaux en concurrence. De plus, la thèse prévoit également un re-design complet de l’analyse afin de mettre en place de nouvelles méthodes de traitement de données (Deep Neural Networks) pour optimiser l’extraction du faible signal.

DESCRIPTION

La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d’imagerie nucléaire largement utilisée en oncologie et en recherche neurobiologique. La désintégration du traceur radioactif émet des positrons, qui s’annihilent dans les tissus voisins. Deux photons de 511 keV sont produits par annihilation du positron et permettent de reconstruire le point d’annihilation et la distribution de l’activité du traceur dans le corps du patient.

La détermination précise de la position d’annihilation du positron est importante pour une reconstruction précise d’une image de bon contraste. C’est notamment utile pour les études de neuroimagerie du cerveau et pour les études précliniques avec des modèles animaux (rongeurs), mais aussi l’imagerie TEP, basse dose, corps entier. Dans cette thèse, nous proposons de contribuer à un détecteur ambitieux basé sur des cristaux Cherenkov/Scintillant. Nous avons sélectionné des technologies particulièrement efficaces pour l’imagerie TEP. Les principes du détecteur sont brevetés. Ils permettront de produire des imageurs TEP de performances très améliorées. L’appareil utilise des technologies avancées de détection de particules : un cristal scintillateur dense, des photomultiplicateurs à galette microcanaux, des amplificateurs gigahertz et des modules d’acquisition rapide (WaveCatcher, SAMPIC). Le traitement des données comprendra des simulations de la Monté-Carlo et des analyses basées sur les bibliothèques logicielles GATE/Geant4 et Root C++.



SUPERVISION

Le candidat retenu travaillera au sein du Département de physique des particules de l’IRFU en étroite collaboration avec le Département des détecteurs, d’électroniques et d’informatique pour la physique. Le groupe CaLIPSO comprend deux physiciens et deux étudiants et bientôt deux post-docs. Nous collaborons étroitement avec le CNRS-IJC-labs sur l’électronique de lecture rapide, avec le CPPM de Marseille et le CEA-SHFJ, sur les dispositifs d’imagerie médicale, le CEA-DES sur les algorithmes de reconstruction d’images, et avec l’Université de Munster (Allemagne).

LE TRAVAIL PROPOSE

Vous étalonnerez et optimiserez les prototypes de détecteurs et analyserez les données mesurées, dans le but d’optimiser la résolution temporelle et spatiale du détecteur. Cela impliquera de nombreuses compétences en instrumentation: photo-détection, électronique rapide (analogique et numérique) à une précision de quelques picosecondes, simulations de détecteurs au moyen des logiciels GEANT4 et GATE.



EXIGENCES

Des connaissances en physique générale, physique de l’interaction particules-matière, de la radioactivité et des principes des détecteurs de particules, ainsi que une vocation pour le travail instrumental, et pour l’analyse de données sont obligatoires. Etre à l’aise en programmation, avoir une formation en simulation Gate/Geant4 et en C++ seront un atout.



COMPETENCES ACQUISES

Vous acquerrez des compétences en instrumentation de détecteurs de particules, en simulation de détecteurs de rayonnements, en photo-détection, sur la mise en œuvre, et l’exploitation d’électronique de numérisation rapide et en analyse de données.