Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

L’expérience CMS a recherché le boson de Higgs dans le canal de désintégration µ+µ- dans les collisions

proton-proton à 7 TeV et 8 TeV (énergie dans le centre de masse). Ce canal de désintégration a l’avantage

de posséder une signature claire dans le détecteur CMS dans lequel la masse di-muon peut être mesurée

avec une excellente résolution. Pour un boson de Higgs de masse 125 GeV/c2, une limite supérieure sur le

taux de production de 7.4 fois la prédiction du modèle standard a été observée avec un niveau de confiance

de 95%, en accord avec certains modèles hors Modèle Standard.

A 13 TeV on s’attend à ce que la statistique soit multipliée par un facteur 8 à 10. Non seulement le rapport

d’embranchement du boson de Higgs en µ+µ- sera mesuré plus précisément, mais il sera possible d’identifier

les variables discriminantes pour mesurer le spin du boson de Higgs (spin 0) et le distinguer du spin du boson

Z (spin 1), et mesurer le spin de résonances nouvelles à des masses plus élevées qui pourrait prendre

également la valeur 2 dans le cas de couplages du type graviton.

Les limites d'observation de la production d'une paire de boson de Higgs dans le mode soit résonant soit non-résonant reconstruit en une paire de photons et une paire de jets b (HH->bbgg) ont fait l'objet d'une publication (Phys. Rev. D 94, 052012 (2016)) pour le RUN-1 du LHC à 8TeV. La reconstruction du canal HH->bbgg en utilisant les données du RUN-2 à 13 TeV permettra l’étude de l'auto couplage du Higgs ainsi que de son couplage au quark top. Après la mesure précise de la masse du Higgs, la plupart de ses propriétés, telles que sa charge, son spin, les sections efficaces de production, les rapports de branchement de ses désintégrations et ses couplages aux particules fondamentales ont fait également l'objet de mesures précises et correspondent aux prédictions du modèle standard. La mesure de l'auto couplage est cependant restée inaccessible avec les données du RUN-I du LHC. C'est le thème et le but de notre recherche en plus de la recherche de nouvelle physique.

Très récemment, un domaine fondamentalement nouveau de l'astronomie et de l'astrophysique a montré ses premiers résultats : l'astrophysique multi-messager en temps réel. Dans ce contexte, nous allons mettre en place un échange de données et leur combinaison d'observatoires très différents comme Virgo/Ligo, IceCube, H.E.S.S. et HAWC. Ces combinaisons en temps réel vont permettre la détection simultanée de différents messagers de l’univers (par exemple les ondes gravitationnelles, les rayons gamma et les neutrinos de haute énergie). Nous allons ainsi ouvrir de nouvelles fenêtres et fournir des informations sans précédent sur les phénomènes les plus violents jamais observés.

Le cœur du projet proposé est la recherche en temps réel de sources transitoires de rayons gamma à haute énergie directement après la détection d'une onde gravitationnelle ou d'un neutrino astrophysique ce qui démontra sans équivoque l'accélération de particules lié à ces phénomènes.

Les détecteurs appropriés pour l’étude de la CENNS (diffusion élastique cohérente neutrino-noyau) et de la 0nDBD (désintégration double-bêta sans neutrino) partagent des caractéristiques communes: (i) flexibilité dans le choix du matériau, pour sélectionner les éléments et les composés correspondant aux besoins de la CENNS et de la 0nDBD; (ii) un rapport signal sur bruit élevé afin d'atteindre un seuil <100 eV pour la CENNS et une résolution d'énergie de ~ 0,1% à ~ 3 MeV pour la 0nDBD; (iii) temps de réponse rapide (<1ms) afin d'améliorer la discrimination de forme d'impulsion, cruciale pour le contrôle du fond dans 0nDBD, où il peut être exploité pour séparer les événements bêta (y compris le signal) des événements alpha (la source dominante du bruit dans des recherches bolométriques à l'échelle d’une tonne comme CUORE). Des macro-bolomètres basés sur des cristaux diélectriques équipés de capteurs innovants et exploités dans la gamme ~ 10-50 mK représentent la technologie explorée dans ce programme de thèse.

Une collaboration de longue date entre le promoteur et le laboratoire CSNSM d'Orsay permettra de développer et d'optimiser des films supraconducteurs en NbSi, aussi bien sur des substrats de silicium et de germanium que directement sur les cristaux d'intérêt. Les films seront produits par co-évaporation du niobium et du silicium sous ultravide par bombardement d’électrons, en réalisant une couche de NbxSi1-x (x = 0,14, épaisseur = 50 nm comme valeurs de référence). Les films auront une structure de méandre réalisée par gravure ionique réactive afin d'augmenter leur impédance d'état normal à des valeurs comprises entre 1 et 5 Mohm, ce qui permet l'utilisation d'une électronique conventionnelle basée sur des JFET de Si. Un processus de recuit adéquate permettra d'accorder la température de transition supraconductrice entre 15 mK et 20 mK.

Grâce à une récente collaboration établie avec LETI, le doctorant étudiera des éléments de Si dopés par implantation ionique, qui présentent une forte dépendance de la résistivité de la température dans la gamme 10-100 mK et peuvent être utilisés comme capteurs de température très sensibles. Grâce à l'expertise de LETI dans ce domaine, il sera possible de tester des dispositifs existants et de simuler des géométries innovantes, impliquant des grandes surfaces des capteurs, capables d'améliorer la conduction thermique et la capacité de collecte de phonons par rapport à l’état de la technique, entraînant une augmentation du rapport signal sur bruit et de la vitesse de réponse.

Dans la première phase du projet (environ 18 mois), l'activité du doctorant portera sur l'optimisation des deux types de capteurs de température. Dans la deuxième phase (environ 12 mois), l'étudiant fabriquera et testera les prototypes obtenus en couplant les cristaux sélectionnés pour la CENNS et la 0nDBD (et déjà disponibles grâce à d'autres projets passés et actuels comme LUMINEU, CUPID-Mo et BASKET) avec les capteurs optimisés et développés dans la première phase. Au cours des 6 derniers mois (troisième phase), les prototypes pour la 0nDBD seront testés dans des laboratoires souterrains (Modane - France - et / ou Gran Sasso - Italie -) pour avoir des indications plus précises sur leurs capacités de rejet du fond, tandis que les prototypes CENNS seront mis en œuvre lors de longues manips pour tester leur stabilité et, si possible, à la proximité d'un réacteur nucléaire (site final d'une expérience CENNS).

Pourquoi les neutrinos sont-ils si légers ’ Quelle est la valeur absolue des leurs masses ’ Le neutrino est-il égal à son antiparticule, comme un photon ou un pion neutre, ou en diffère-t-il comme un neutron ’ Malgré les progrès impressionnants que nous avons faits récemment sur la connaissance de cette particule, la liste des questions ouvertes est encore très longue. Et les réponses sont d'une importance capitale pour comprendre les interactions fondamentales des particules et l'évolution de l'Univers. La double désintégration bêta sans émission de neutrinos (0n2B) est une transition nucléaire hypothétique et rarissime qui peut clarifier la plupart de ces problèmes intrigantes. Si elle est découverte, elle peut fixer l'échelle de masse des neutrinos, aider à déterminer l'ordre de ses trois masses et démontrer que le neutrino est effectivement égal à son antiparticule, comme Majorana l'avait envisagé il y a plus de quatre-vingts ans. En plus, la 0n2B permets de tester avec une sensibilité sans égal la conservation du nombre leptonique.



Une approche très prometteuse à l’étude de la 0n2B est poursuivie dans l’expérience bolométrique CUPID, qui vise à exploiter l'infrastructure existante de l’expérience CUORE (actuellement en opération dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie, CUORE est l'une des expériences 0n2B les plus sensibles au niveau international). CUPID est censé sonder l'hypothèse de la hiérarchie inversée des masses du neutrino grâce à une réduction spectaculaire du fond radioactif par rapport à CUORE. Cette amélioration sera obtenue par l'utilisation de bolomètres luminescents, qui permettent de rejeter le fond dû à l’émission de particules alpha en surface, facteur qui limite actuellement la sensibilité de CUORE.



Le présent projet de thèse vise à explorer et développer une technologie qui puisse être appliquée en perspective à CUPID, en recherchant la 0n2B des isotopes prometteurs Mo-100 et Cd-116. Les dispositifs proposés pour étudier ce processus rare sont des bolomètres contenant du Mo-100 et du Cd-116, agissant en même temps comme source et détecteur du phénomène. Comme dans tout macro-bolomètre classique, chaque dispositif sera constitué d'un monocristal diélectrique de haute pureté refroidi au-dessous de 20 mK et couplé thermiquement à un capteur de température (constitué d'une thermistance de Ge) qui fournira un signal de chaleur pour chaque événement. Dans ce type de dispositifs, la détection est médiée par la production de phonons (chaleur) due aux dépôts d'énergie par des événements nucléaires. Les événements 0n2B du Mo-100 et du Cd-116 produiront des signaux de chaleur avec une amplitude bien définie. En ce qui concerne le matériau du détecteur, les composés Li2MoO4 et CdWO4 sont parmi les plus prometteurs en termes de résolution énergétique, de radiopureté intrinsèque et de facilité de croissance des cristaux. Le signal 0n2B, dans les deux cas, est une raie située bien au-dessus de la radioactivité naturelle gamma (qui s'arrête à 2615 keV), mais le bruit de fond dans cette région sera dominé par des contaminations alpha de surface, qui produisent un spectre d’énergie presque plat. La contribution au fond des alphas de surface peut être éliminée en couplant le détecteur 0n2B avec un détecteur de lumière (qui sera également un bolomètre) capable de mesurer la lumière de scintillation générée par des événements nucléaires dans le Li2MoO4 et le CdWO4. Le rendement lumineux des particules alpha correspond de 15% à 20% de celui des particules bêtas à la même énergie thermique. Par conséquent, la mesure simultanée de la chaleur et de la lumière de scintillation permettra de rejeter la composante de fond alpha, simplement à cause de la faible intensité de la lumière qu'elles émettent.



Le projet de thèse impliquera l'analyse de données d'une expérience en cours (CUPID-Mo), basée sur le Mo-100 et très compétitive au niveau international, et le développement ex novo d'une expérience pilote pour le Cd-116.

H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est un réseau de télescopes Tcherenkov Atmosphériques Imageurs installé en Namibie depuis une dizaine d’années. Il permet d’observer des photons d'énergie supérieure à environ 50 GeV. Ces photons permettent d’identifier les sources de rayons cosmiques chargés de très haute énergie. Les trous noirs font partie de ces sources. Le but de cette thèse est de rechercher des indices de présence de trous noirs exotiques, les trous noirs primordiaux. Les premiers résultats de LIGO et VIRGO montrent que la distribution de masse des trous noirs n'est pas bien comprise. En particulier, les trous noirs pourraient avoir des masses beaucoup plus faibles que les trous noirs ordinaires -stellaires ou galactiques- et pourraient avoir été produits en abondance dans l’univers primordial. Dans certaines gammes de masse, les trous noirs primordiaux sont des candidats potentiels pour expliquer la matière noire. Les trous noirs primordiaux, s'ils sont de masse suffisamment faible, peuvent s’évaporer sur des durées comparables au temps de Hubble (radiation de Hawking) et produire un sursaut très court (quelques secondes) de photons de haute énergie. Ces photons peuvent être détectés avec H.E.S.S. Les trous noirs primordiaux de plus grande masse peuvent être détectés par d'autre méthodes, par exemple par effet de lentille gravitationnelle.

La mise en évidence de l’accélération de l’expansion de l’Univers a déclenché un vaste programme de recherche en vue d’identifier et de comprendre le phénomène « d’énergie noire ».



Depuis dix ans, l’empreinte laissée par les oscillations acoustiques de baryons (BAO) dans la distribution des galaxies est utilisée comme une « règle standard » pour mesurer la géométrie de l’Univers et les paramètres cosmologiques. Aujourd’hui, la communauté se tourne vers l’étude de l'anisotropie de la fonction de correlation des traceurs de la matière qui est un moyen unique de contraindre le taux d'expansion de l'Univers et de tester des éventuelles modifications de la gravité par la mesure du taux de croissance des grandes structures cosmiques.



Pour réaliser ces mesures nous utilisons les données des grands relevés spectroscopiques eBOSS (2014-2019) et Desi (2019-2025). Ces relevés permettent de mesurer le décalage vers le rouge (z, redshift) de millions d'objets astrophysique qui sont utilisés pour réaliser une cartographie tri-dimensionnelle de la distribution de matière dans l'Univers. Dans le cadre du travail proposé nous utiliserons les quasars, sources de lumière les plus brillantes de l'Univers, pour sonder l'Univers dans un domaine de redshift entre 0.8 et 2.2 qui est encore peu exploré. L'estimation de la précision de la mesure sera faite au moyen de simulations numériques dont les paramètres cosmologiques sont connus.



Par ailleurs, la corrélation entre les quasars avec d'autres sondes cosmologique comme l'effet de lentille gravitationnel du fond diffus cosmologique permet d'accéder à de nouvelles observables. Ceci constitue un moyen prometteur de tester les éventuelles modifications de la gravité.

La Tomographie par Emission de Positrons (TEP) est une technique d’imagerie utilisée pour le diagnostique des cancers et dans les recherches neurobiologiques. Il s’agit de détecter deux photons de 511 keV produits par l’émission ß+ d’un traceur biochimique dans les tissus. Elle image ainsi l’activité biologique des organes.

Positionner précisément l’interaction des photons d’annihilation dans le volume du détecteur permet de reconstruire des images précises et contrastées. Ceci est particulièrement utile pour l’imagerie neurologique et sur modèles animaux (rongeurs).

Dans cette thèse nous proposons de développer un détecteur basé sur des cristaux « radiateur Cherenkov ». Nous avons sélectionné des technologies particulièrement efficaces pour l’imagerie TEP. La thèse consistera à mesurer les propriétés des cristaux scintillants, puis en la mise en œuvre et la caractérisation des propriétés d’un module détecteur complet. Cela implique la mise en œuvre de l’appareillage de mesure, le traitement des données, et la réalisation d’une simulation Monté-Carlo sous logicielle GATE et la confrontation des résultats de simulation aux mesures sur prototypes.

Les principes du détecteur font l’objet d’un brevet. Il devrait permettre de réaliser des imageurs TEP neurologiques de performances très améliorées.

La Tomographie par Emission de Positrons (TEP) est une technique d’imagerie utilisée largement dans le traitement du cancer et dans les recherches neurobiologiques. Il s’agit de détecter deux photons de 511 keV produits par l’annihilation d’un positon issus 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, elle est utile en neuro-imagerie, c’est à dire 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 différence de temps de détection des deux photons pour améliorer le rapport signal sur bruit et la qualité des images reconstruites. Actuellement, ce nouveau type de scanner est en développement à IRFU, CEA-Saclay. Notre projet réunit un positionnement avec une précision élevée de 1 mm³ et une mesure TOF avec une précision 150 ps en utilisant les photons produits par l'effet Tcherenkov.

Dans cette thèse, nous proposons de développer une simulation du scanner prévu, de mesurer les performances du détecteur principal, de travailler sur le développement des algorithmes de reconstruction d'image et de les adapter aux scanners à haute précision.

Le but de ce projet de thèse est l’étude des propriétés du quark top produit par paires et en association avec le boson de Higgs en utilisant des variables angulaires et des asymétries innovantes dans l’expérience ATLAS au CERN. The quark top étant la particule élémentaire la plus lourde et son couplage avec le boson de Higgs étant le plus grand, son étude est de première importance pour la recherche de nouveaux phénomènes au delà du modèle standard de la physique des particules. La première partie de la thèse sera consacrée à l’étude détaillée de la structure du vertex Wtb en utilisant de nouvelles observables liées au spin du boson W et de nouvelles asymétries. Cette approche devrait permettre d’augmenter la sensibilité aux couplages anormaux extraite des mesures expérimentales.

La deuxième partie du travail de thèse se focalisera sur l’étude de la nature CP du couplage du quark top avec le boson de Higgs dans les événements ttH, en utilisant les distributions angulaires des produits de désintégrations, en suivant la meme stratégie que dans le cas de la paire top-antitop. Ces deux études seront effectuées en collaboration avec des théoriciens qui développent les calculs théoriques pour prédire les distributions angulaires et asymétries dans l’état final ttH en présence de nouvelle physique.

Les deux modes de productions dominants au LHC d'un boson de Higgs du modèle standard sont la fusion de deux gluons et la fusion de deux bosons vecteurs. La distinction de ses deux modes est essentielle pour la mesure des couplages du boson de Higgs aux fermions et aux bosons vecteurs. Un événement produit par la fusion de bosons vecteurs se distingue par la présence de deux jets hadroniques séparés en rapidité et typiquement utilisés pour identifier le mode de production : voir les deux diagrammes à l'ordre dominant sur l'illustration.

Cette thèse propose de s'affranchir de la reconstruction de jets pour la distinction des deux modes de productions, afin de réduire les incertitudes provenant du calcul des sections efficaces et améliorer la précision de la mesure, avec un gain attendu de 30%. Une variable innovante, N-jetiness, définie directement à partir des impulsions des particules observées, sera utilisée pour distinguer les événements provenant des différents modes. Dans un premier temps cette variable sera mesurée pour des événements avec un boson Z et des jets, produits en abondance au LHC, et la mesure sera confrontée au calcul théorique des sections efficaces afin de valider le gain en précision. Cette variable sera ensuite exploitée pour la mesure de la production du boson de Higgs et de son couplages aux fermions et aux bosons vecteurs.

L'existence de toutes les particules prédites par le Modèle Standard (MS) de la physique des particules est établie par l'expérience. Des mesures fines des masses et des couplages des particules les plus massives, le W, le Z, le boson de Higgs et le quark top,permettent de tester plus avant le MS, en vérifiant que les valeurs de ces paramètres suivent les relations prédites par la théorie. Une meilleure précision sur la mesure de l'angle de mélange électrofaible bénéficierait fortement à ces tests.

Avec le LHC comme seul grand accélérateur en fonctionnement, les futures mesures de ces paramètres électrofaibles seront fortement affectées par l'incertitude relative à la structure interne des protons qui en constituent les faisceaux. Ces incertitudes dominent déjà les mesures de l'angle de mélange faites aux collisionneurs hadroniques. Cette source commune d'incertitude génère également de fortes corrélations entre les mesures des différents paramètres. Non traitées correctement, ces incertitudes et corrélations peuvent compromettre la validité des tests de précision à venir.

La solution proposée ici consiste à organiser une mesure simultanée de l'angle de mélange électrofaible et des densités partoniques du proton, en exploitant les distributions angulaires dans les désintégrations leptoniques des bosons Z. Cette mesure inclura une analyse de l'alignement du détecteur interne d'Atlas; une mesure de l'asymétrie de désintégration, en fonction de la masse et de la rapidité du boson Z; l'extraction de l'angle de mélange avec les données enregistrées par Atlas a 13 TeV et en utilisant cette mesure conjointement avec les résultats d’Atlas sur la masse du boson W, le Drell-Yann à haute masse et le boson de Higgs, une interprétation globale permettant de contraindre les modèles de nouvelle physique.

Les prochains grands collisionneurs e+e- (linéaire ou circulaire) auront pour but l'étude fine des propriétés du boson de Higgs et la recherche de signatures de nouvelle physique. Pour tous ces sujets, le système de détection des particules chargés (trajectographe) doivent faire preuve d'une très grande stabilité et d'une très grande précision au niveau de 10^-5 GeV-1. Les chambres à projection temporelle (TPC),sont un bon candidat de trajectographe, à la fois peu dense, ce qui est favorable à la calorimétrie, et suffisamment précise. Cependant, faire fonctionner une TPC dans un environnement à grand flux de particules nécessite des précautions, car les effets des ionisations primaires et le retour des ions secondaires dans l'espace de dérive créent des distorsions sur la mesure des traces.



Le travail de thèse aura pour thème l'optimisation du trajectographe d'un futur détecteur sur collisionneur e+e-.

Il s'agira d'une part d'étudier les effets de charge d'espace dans une TPC et de les comparer aux simulations.

On exploitera un banc test comprenant une mini-TPC cylindrique (d=50cm, h=60cm) instrumentée par des pads micromegas, et d'un dispositif d'éclairage UV créant la charge d'espace. Il s'agira de faire fonctionner le dispositif, de mettre en place la chaine d'acquisition de données, d'analyser les données, de reconstruire les traces de muons cosmiques et d'étudier les performances de reconstruction en fonction de la charge d'espace. Ces résultats seront comparés aux simulations.



Ce travail aboutira naturellement à l’optimisation du concept micromegas permettant de réduire au maximum le retour des ions et à l'optimisation du dessin du futur trajectographe en vue des analyses de physique type, telles que la mesure de précision de la masse du Higgs, de la masse du W, ou la mesure du couplage de Yukawa aux muons.

La partie principale de la thèse consistera en une analyse des données du run-2 (données à 13 TeV dans le centre de masse proton-proton dédiées prises entre 2015 et 2018) pour l'étude de la nature de boson de Higgs. Le projet consiste à mesurer les couplages du boson de Higgs via sa désintégration en 4 leptons (électrons ou muons) issus de la désintégration de deux bosons de jauge Z dans un régime où on s’éloigne de sa couche de masse (la masse invariante des 4 leptons est supérieure à la masse du boson de Higgs, régime dit "off-shell"), pour être finalement combiné avec les résultats correspondants obtenus à partir des mesures de couplage "on-shell" (à la masse du Higgs). Dans la pratique, notre tâche sera de mesurer la section efficace du processus pp-> ZZ-> 4l pour une large gamme de la masse invariante des 4 leptons de l’état final. Ce canal de désintégration ZZ offre la meilleure sensibilité en raison de sa signature propre avec un rapport signal sur bruit de fond excellent. De nouvelles interactions au-delà du modèle standard affecteraient à la fois le taux et les distributions différentielles de l'état final 4-leptons. La comparaison entre les sections efficaces de production on-shell et off-shell permet ainsi de mettre une limite supérieure sur la largeur totale du boson de Higgs via les effets d’interférence quantique entre les différents modes de production des paires ZZ à haute masse invariante. Cette largeur totale serait directement affectée par des couplages non standard à certaines particules du modèle standard ou par la présence de canaux de désintégration vers de nouvelles particules au-delà du modèle standard.

L'analyse sera effectuée en classant les événements par rapport au nombre de jets produits en association avec le système des 4 leptons (ZZ + n-jets) pour distinguer entre les différents modes de production du boson de Higgs.



Une deuxième partie de cette thèse sera consacrée à la compréhension, l’analyse et l'exploitation de détecteurs gazeux de type MicroMegas. Des détecteurs de ce type vont remplacer une partie du spectromètre à muons d'ATLAS et être opérationnels pour le redémarrage du LHC en 2021.

L’IRFU est un des sites de construction de ce type de détecteur. L’étudiant(e) participera aux tests de fonctionnement des modules une fois arrivés au CERN après leur construction à Saclay.

La découverte de l'oscillation de neutrinos (Prix Nobel de Physique 2015, prix Breakthrough 2016) a démontré que les neutrinos ont une masse et cela n’est pas expliqué dans le cadre du Modèle Standard de la physique des particules. L'étude des neutrinos est donc un secteur très prometteur pour découvrir de nouveaux phénomènes.

L’expérience T2K (Tokai to Kamioka), située au Japon, étudie les oscillations des neutrinos avec un faisceau de neutrinos produits par l'accélératuer de JPARC. La collaboration T2K mesure l'oscillation en comparant la saveur des neutrinos produits tout près de l’accélérateur, mesurés avec le détecteur proche (ND280), et la saveur des neutrinos après un voyage de 295 km, mesurés avec le détecteur lointain (Super-Kamiokande) placé sur la côte opposée du Japon. Les équipes de l'IRFU ont fortement contribué à la construction du détecteur proche, dont le dispositif principal est un ensemble de trois grandes chambres à projection temporelle basées sur la technologie Micromegas. La comparaison entre l'oscillation des neutrinos et celle des antineutrinos permets de mesurer un paramètre encore inconnu : la phase qui paramétrise la violation de la symétrie charge-parité (CP). Cette violation pourrait jouer un rôle fondamental dans l'explication de l'asymétrie matière-antimatière dans l’Univers. La mesure par T2K à l'été 2017 permets d'exclure la conservation de CP avec un niveau de confiance de 95 %. La prise de données par T2K continue et pourrait permettre dans les années à venir des avancées significatives, avec une nouvelle phase à haute puissance entre 2021 et 2025 (T2K-2).

L’étudiant travaillera sur l'analyse d'oscillation avec les données actuelles de T2K et préparera les analyses plus précises des prochaines années y compris pour T2K-2. L’étudiant collaborera donc à la première mesure d'un des plus importants paramètres dans la physique des particules. Le travail se déroulera dans le cadre de la collaboration internationale T2K mais les résultats auront un impact aussi sur d'autres expériences en cours (NOVA) et prévues (DUNE, HyperKamiokande) dans les prochaines décennies.

Le travail aura pour but de réduire les incertitudes systématiques, en particulier celles liées à la modélisation de l'interaction neutrino-noyau grâce à l'excellente expérience du groupe dans ce domaine en collaboration avec d'autres physiciens de l'IRFU, spécialistes du sujet. Le candidat travaillera aussi à l'optimisation de l'analyse d'oscillation afin de minimiser l'impact de ces incertitudes, par exemple en utilisant dans l'analyse de nouvelles variables liées à la cinématique des hadrons produits dans l'interaction (pions et nucléons).

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 existent sous la forme de trois saveurs et qui possèdent la propriété de pouvoir en changer, phénomène connu sous le nom d’oscillation des neutrinos. Les centrales nucléaires utilisées pour la production d’électricité sont des sources intenses d'antineutrinos, et offrent ainsi un moyen très efficace d'étudier ce phénomène lorsque l’on place un ou plusieurs détecteurs à proximité.

Les antineutrinos de réacteur sont émis par désintégration beta moins des produits issus de la fission du combustible nucléaire (235U, 238U, 239Pu, 241Pu). Le spectre antineutrino émis par un cœur de réacteur résulte ainsi de la superposition de milliers de branches beta. En 2011, les équipes du CEA/Irfu ont réévalué les spectres antineutrinos émis par ces derniers pour les besoins de l'expérience Double Chooz qui étudie l'oscillation des neutrinos. Suite à cette réévaluation, une première étude a démontré l’existence d’un déficit systématique du nombre d’antineutrinos détectés par rapport à celui attendu dans une vingtaine d’expériences situées à moins de 100 m d’un réacteur : c’est l’anomalie des antineutrinos de réacteur. D’autre part, les dernières mesures des spectres en énergie des antineutrinos émis révèlent aussi un désaccord de forme par rapport aux prédictions. Pour finir, il semblerait aussi que l'évolution des flux mesurés en fonction de la composition isotopique des coeurs soient en désaccord avec les prédictions. L'ensemble de ces faits expérimentaux pousse ainsi la communauté scientifique à questionner certaines hypothèses faites dans la modélisation des spectres antineutrinos de réacteur, notamment celles utilisées pour modéliser les branches beta.

Le travail proposé dans cette thèse consiste à réviser et affiner le calcul des spectres antineutrinos de réacteur. Ce travail se fera au sein de l'équipe du projet NENuFAR (New Evaluation of Neutrino Fluxes At Reactors), projet soutenu et financé par la direction des programmes transverses du CEA. Le doctorant devra en particulier développer et optimiser des outils de calcul performants pour la modélisation des branches beta. Il aura à évaluer précisément l'ensemble des corrections électromagnétiques et atomiques à la théorie de Fermi de la désintégration beta, ainsi qu'à traiter correctement la modélisation des transitions interdites. L'objectif final de la thèse sera ainsi de proposer une nouvelle prédiction de référence des spectres antineutrinos de réacteurs et de mieux comprendre l’origine des désaccords expérimentaux mentionnés précédemment. Le travail accompli sera d'autre part mis à profit pour étendre les prédictions au domaine des basses énergies (E < 1.8 MeV). Ce second objectif est notamment d’un grand intérêt pour l’étude du processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux.

Avec la découverte d'un nouveau boson compatible avec le boson de Higgs prédit dans le cadre du Modèle Standard (MS), une nouvelle ère de la physique des particules a commencé. Une des priorités pour les années à venir est d'étudier la nature du boson de Higgs et son lien possible avec des extensions du MS, tels que la supersymmétrie ou les théories avec dimensions supplémentaires. Il est particulièrement interessant de comprendre la relation entre le boson de Higgs et la particule élementaire la plus lourde, le quark top, et de mesurer le couplage de Yukawa entre le quark top et le boson de Higgs. Le seul processus permettant une mesure directe à ce couplage est la production d'un boson de Higgs en association avec une paire de quarks top (ttH). L'observation de ce canal ttH est un des défis majeurs au grand collisionneur hadronique (LHC) au CERN.



Après deux années d'arrêt, le LHC a redémarré en 2015 avec une luminosité accrue et une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Une luminosité intégrée de plus de 120 fb-1 est attendue d'ici à la fin de 2018. Avec les données de l'expérience ATLAS on s'attend à pouvoir observer le processus ttH et en mesurer sa section efficace. Le doctorant jouera un rôle majeur dans cette mesure.



Plus précisément, le canal étudié est celui dans lequel le boson de Higgs se désintègre en une paire de quarks b. Ce canal bénéficie d'un grand rapport d'embranchement, mais aussi d'un important bruit de fond venant de la production de paires de quarks top et de jets additionnels (ttbar+jets). Une attention particulière sera donc apportée à la reconstruction des événements ttH et à la modélisation du bruit de fond ttbar+jets.

Le modèle standard de la physique des particules, décrivant les particules élémentaires et leurs interactions, est un des grands succès de la physique moderne tant ses prédictions ont pu être vérifiées et rarement mises en défaut. Dans ce modèle, les neutrinos sont des particules élémentaires de charge nulle et sans masse, et existent sous la forme de trois saveurs. Cependant, le phénomène d’oscillation des neutrinos confirmé en 1998 et 2003 par les expériences Super Kamiokande et SNO est la preuve que les neutrinos sont massifs et que le modèle standard est de ce fait incomplet. En particulier, de la nouvelle physique est nécessaire pour expliquer comment les neutrinos acquièrent leur masse et pourquoi ils sont bien plus légers que les autres particules élémentaires. Diverses extensions du modèle standard, ajoutant des partenaires dits « stériles » aux neutrinos actifs connus, ont ainsi été proposées en ce sens et peuvent aussi prédire l’existence de nouveaux types de couplage pour le neutrino (appelés interactions non-standard). Outre le phénomène d'oscillation des neutrinos, une possible autre indication de nouvelle physique pouvant donner un intérêt à ce type de modèles a été fournie plus récemment par l’anomalie des antineutrinos de réacteurs, qui est un déficit systématique des taux d’antineutrinos détectés par rapport à ceux attendus dans une vingtaine d’expériences placées à moins de 100 m d’un réacteur nucléaire. Ce déficit pourrait s’expliquer par un nouveau mode d’oscillation des neutrinos actifs vers un neutrino stérile dont l’échelle de masse serait de l’ordre de l’eV.

Le travail proposé dans cette thèse s’articule autour de deux axes : recherche d'états stériles légers et recherche d’interactions non-standard dans le secteur des neutrinos. Ces recherches se feront dans un premier temps dans le cadre de l'expérience CeSOX qui va démarrer au printemps 2018. L’expérience CeSOX, fruit d'une collaboration internationale d’ingénieurs et de physiciens, consiste à déployer une source intense de 144Ce au voisinage du détecteur Borexino situé au laboratoire national du Gran Sasso en Italie. Le doctorant participera à l’analyse des données récoltées par le détecteur afin de chercher une modulation du taux d’antineutrinos détectés en fonction de la distance et de l’énergie, signature incontestable de l'existence de neutrinos stériles légers. Dans un second temps, le doctorant participera aux études du potentiel d'une nouvelle expérience sur la centrale nucléaire de Chooz, basée sur la diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux, pour rechercher des neutrinos stériles et des interactions non-standard.

Après la découverte du boson de Higgs au run I du LHC, un des enjeux majeurs des prises de données présentes et à venir est la mesure précise de ses couplages avec les particules du Modèle Standard pour éventuellement fournir des indications sur l’existence de particules non incluses dans le modèle Standard. Dans cette thèse, on s'intéressera au cas où la désintégration du Higgs de masse mH ~ 125 GeV s'effectue dans une paire de particules « invisibles » (sans interaction avec la matière du détecteur). Dans certains modèles théoriques, cette particule invisible, qui ne se couple qu'au boson de Higgs, fournirait un candidat pour expliquer la matière noire de l'Univers. Au LHC, la recherche d'un tel mode de désintégration peut s’effectuer, par exemple, à travers l'étude de la production associée VH ou V (=Z ou W) est un boson vecteur de l’interaction faible ou dans le mode de production du Boson de Higgs appelé « Vector Boson Fusion » (VBF). Les modes VH, avec le boson vecteur V se désintégrant en une paire quark-antiquark, et VBF conduisent à des états finals avec deux jets énergétiques et une grande énergie transverse manquante. On s’intéressera aussi au cas V=Z où le Z se désintègrerait en 2 leptons chargés qui conduit à un état final très pur même en présence d’un empilement de collisions proton-proton important.

Le travail de thèse portera sur l’amélioration de l’analyse de ces canaux, déjà effectuées au run1 et avec les premières données du run 2 par la collaboration ATLAS, en faisant appel à des méthodes d’analyse multivariée et de « Machine Learning » pour optimiser la mesure de l’énergie transverse manquante et la rejection du bruit de fond en présence d’un empilement de collisions importants et en utilisant toutes les données du run 2 collectées à 13 TeV entre 2015 et 2018.

Cette thèse comportera également un volet « développement de détecteurs » avec la participation au développement et aux tests de capteurs silicium rapides pour équiper un détecteur d’identification des muons vers l’avant qui devrait être installé dans ATLAS vers 2025 pour la montée en luminosité du LHC.

Les expériences ATLAS et CMS du LHC au CERN ont découvert en 2012 l'existence d'un nouveau boson compatible avec le boson de Higgs prédit par le Modèle Standard de la physique des particules. La mesure des propriétés de ce boson H est aujourd'hui un des enjeux majeurs du LHC. Une mesure de la production de ce boson en association avec une paire de quarks top (ttH) permettrait d'accéder au couplage de Yukawa du boson de Higgs au quark top, paramètre fondamental du Modèle Standard (MS) de la physique des particules. Le quark top étant la particule la plus massive du MS, ce couplage pourrait jouer un rôle spécial dans le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible. Sa mesure est donc l'une des mesures les plus intéressantes à mener au LHC aujourd'hui. Le processus ttH étant très rare, cette mesure est difficile. Un excès à trois déviations standard devrait être observable au LHC dans le canal en deux photons, avec la centaine d'inverse femtobarn qui sera disponible pour cette thèse. En combinant plusieurs canaux, une toute première observation de la production ttH devrait être possible durant cette thèse. Le canal diphoton sera un des éléments clés de cette combinaison, et à terme sera le canal le plus sensible pour cette mesure. C'est donc le parfait moment pour travailler sur ce sujet. Le groupe CMS de Saclay possède une grande expertise dans la mesure de l'énergie des photons et est un des auteurs principaux de l'analyse du canal en deux photons à 13 TeV, en particulier pour la production associée ttH. L'étudiant sera ainsi encadré par une équipe possédant l'expertise et les outils nécessaires.