7 sujets IRFU/DPhP

Dernière mise à jour : 17-11-2018


• Astroparticules

• Astrophysique

• Physique des particules

 

Caractérisation d’un prototype de caméra pour l’observatoire gamma de très hautes énergies CTA

SL-DRF-19-0353

Domaine de recherche : Astroparticules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe HESS 2

Saclay

Contact :

Jean-François Glicenstein

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Jean-François Glicenstein

CEA - DRF/IRFU/SPP/HESS 2

0169089814

Directeur de thèse :

Jean-François Glicenstein

CEA - DRF/IRFU/SPP/HESS 2

0169089814

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).

Etude du Centre Galactique à très hautes énergies et recherche de matière noire avec H.E.S.S.

SL-DRF-19-0005

Domaine de recherche : Astroparticules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe HESS 2

Saclay

Contact :

Emmanuel MOULIN

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Emmanuel MOULIN

CEA - DRF/IRFU/SPP/HESS 2

01 69 08 29 60

Directeur de thèse :

Emmanuel MOULIN

CEA - DRF/IRFU/SPP/HESS 2

01 69 08 29 60

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/emmanuel.moulin/

Labo : http://irfu.cea.fr/dphp/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php/////?id_ast=1025

Voir aussi : https://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS

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.

Etude de l'inflation avec des quasars et des galaxies dans DESI

SL-DRF-19-0421

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Bao

Saclay

Contact :

Nathalie Palanque-Delabrouille

Christophe YECHE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Nathalie Palanque-Delabrouille

CEA - DRF/IRFU/SPP/Bao

0169083962

Directeur de thèse :

Christophe YECHE

CEA - DRF/IRFU/SPP/Bao

01-69-08-70-50

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=3428

Voir aussi : https://www.desi.lbl.gov

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.

Propriétés des neutrinos et de la matière noire selon les premières données de DESI et les simulations cosmologiques

SL-DRF-19-0398

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Bao

Saclay

Contact :

Eric Armengaud

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2019

Contact :

Eric Armengaud

CEA - DRF/IRFU/SPP/Bao

01 69 08 19 50

Directeur de thèse :

Eric Armengaud

CEA - DRF/IRFU/SPP/Bao

01 69 08 19 50

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.).

Etude d’une TPC en argon liquide double phase utilisant des détecteurs à micro-structure

SL-DRF-19-0027

Domaine de recherche : Physique des particules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Neutrinos-accélérateurs

Saclay

Contact :

Sara Bolognesi

Marco ZITO

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Sara Bolognesi

CEA - DRF/IRFU/SPP/TK2

0169081461

Directeur de thèse :

Marco ZITO

CEA - DRF/IRFU/SPP/TK2

0169083819

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.

Intelligence artificielle sur un détecteur gamma pour l’imagerie TEP haute résolution

SL-DRF-19-0154

Domaine de recherche : Physique des particules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe DO

Saclay

Contact :

Dominique YVON

Viatcheslav SHARYY

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Dominique YVON

CEA - DSM/IRFU/SPP/CaLIPSO

01 6908 3625

Directeur de thèse :

Viatcheslav SHARYY

CEA - DSM/IRFU/SPP/CaLIPSO

0169086129

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/viatcheslav.sharyy/

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=3730

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.

Recherche d’une nouvelle particule scalaire, l’Axion, en collisions Pb-Pb à 5.02 TeV dans l’expérience ATLAS

SL-DRF-19-0457

Domaine de recherche : Physique des particules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Atlas

Saclay

Contact :

Laurent SCHOEFFEL

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Laurent SCHOEFFEL

CEA - DSM/IRFU/SPP/Liste des laboratoires

01.69.08.25.83

Directeur de thèse :

Laurent SCHOEFFEL

CEA - DSM/IRFU/SPP/Liste des laboratoires

01.69.08.25.83

Voir aussi : https://www.nature.com/nphys/journal/v13/n9/full/nphys4208.html

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

 

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