Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

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.

L’accélération tardive de l’expansion de l’Univers, mise en évidence à la fin des années 90 et confirmée depuis par les mesures cosmologiques toujours plus précises, reste inexpliquée. Une modification de la relativité générale aux échelles cosmologiques est une hypothèse possible. Parmi les mesures, celle du taux de croissance des structures est le moyen le plus direct de tester les prédictions de la relativité générale, puisque la gravité est le moteur de cette croissance. Cette thèse propose d’utiliser les observations du spectrographe DESI récemment mis en service pour étudier la distribution des galaxies à raies d’émission, traceur principal de DESI, afin d’en déduire une mesure du taux de croissance des structures, à comparer aux prédictions de la relativité générale afin 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 9 physiciens, 6 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.

En astrophysique de haute énergie nous étudions les phénomènes les plus violents de l'univers. L'échange rapide d'informations entre chercheurs et entre des observatoires est crucial pour détecter ces événements transitoires, c'est-à-dire de courte durée. Une variété grandissante d'observatoires couvrant tout le domaine des 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.

L'astronomie gamma de très haute énergie observe le ciel au-dessus de quelques dizaines de GeV. Ce domaine émergent de l’astronomie est en plein essor depuis le début des années 1990, en particulier, depuis la mise en service en 2004 du réseau de télescopes H.E.S.S. en Namibie. L'IRFU/CEA-Paris Saclay est un membre particulièrement actif de cette collaboration depuis ses débuts. Il est également impliqué dans la préparation du futur observatoire CTA (Cherenkov Telescope Array) qui devrait entrer en fonctionnement à l'horizon 2024. La détection des photons gamma d'énergie supérieure à quelques dizaines de GeV permet d'étudier les processus d’accélération des particules chargées au sein d’objets aussi variés que les vestiges de supernova ou les noyaux actifs de galaxies. Par ce biais, H.E.S.S. vise notamment à répondre à la question centenaire de l'origine des rayons cosmiques.

H.E.S.S. permet de mesurer la direction, l'énergie et le temps d'arrivée de chaque photon détecté. La mesure du temps a permis de mettre en évidence des sources dont le flux présente des variations temporelles importantes ou encore périodiques. L'étude de ces émissions variables (transitoires ou périodiques), que ce soit en direction du Centre Galactique ou de noyaux actifs de galaxies (AGN) lointains permet de mieux comprendre les processus d'émissions à l'œuvre au sein de ces sources, de caractériser le milieu dans lequel les photons se propagent mais également de tester la validité de certaines lois physiques fondamentales comme l’invariance de Lorentz. La large gamme d'échelles temporelles qu'il est possible de sonder permet de rechercher et d'étudier des sursauts ou des variations dans le flux des sources allant de quelques secondes (sursaut gamma, trous noirs primordiaux) à quelques années (systèmes binaires de haute masse, noyaux actifs de galaxie).

L'un des succès majeurs de la première décennie de prise de données de H.E.S.S. a été de conduire le premier relevé des sources du plan Galactique dans cette gamme d’énergie. Ce relevé´, qui a nécessité plus de 10 ans de prises de données, combine des observations dédiées a` certaines sources, comme le Centre Galactique ou certains vestiges de supernovæ, mais aussi des observations a` l’aveugle pour la découverte de nouvelles sources. Le sujet de thèse proposé ici porte sur un aspect de l'étude du plan Galactique qui reste à explorer : la recherche et l'étude de la variabilité et de la périodicité des sources gamma dans l'ensemble de ce lot de données.

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 au cours de l’automne 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, le doctorant 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.

Les forêts Lyman-alpha des quasars sondent la densité d’hydrogène sur la ligne de visée du quasar et permettent de mesurer l’échelle des oscillations acoustiques de baryons (BAO) dans la fonction de corrélation de la densité d’hydrogène. Cette échelle BAO est une règle standard qui permet de mesurer le taux d’expansion de l’Univers et donc de contraindre les modèles d’énergie noire. L’échelle BAO a été mesurée dans la forêt Lyman-alpha pour la première fois en 2013 par SDSS III / BOSS.

Le relevé DESI devrait être trois fois plus précis que SDSS IV. La prise de données commence en 2020 et se terminera en 2025. Le doctorant participera à la mesure ainsi qu'à l'étude de simulations de spectres de quasars pour estimer les effets systématiques.Il faudra ensuite extraire l’échelle BAO de la fonction de corrélation puis utiliser ce résultat pour étudier différents modèles d’énergie sombre.

Le doctorant sera dans un cadre favorable car les équipes françaises (LPNHE et CEA Saclay) ont un rôle leader au sein de SDSS et de DESI sur les études Lyman-alpha. Il développera ses connaissances et capacités en cosmologie, statistique, traitement et ajustement de données, étude des effets systématiques, et informatique: Python et éventuellement C et C++, gestion de grande quantités de données et utilisation de fermes de processeurs. Il présentera ses travaux en anglais lors de téléconférences hebdomadaires et de réunions de collaboration aux Etats Unis et en Europe.

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, LSST, 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).



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. 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

Cette thèse se place dans le cadre de l’expérience GBAR au CERN dont l’objectif est de mesurer l’accélération de la pesanteur sur l’antihydrogène. La spécificité de l’expérience est d’utiliser des ions antihydrogène positifs pour produire des atomes d’antihydrogène ultra-froids, permettant une mesure précise de leur chute libre. Pour produire les ions antihydrogène, il faut faire interagir des antiprotons (p) sur un nuage de positronium (Ps), état lié d’un électron et d’un positron. Deux réactions successives sont utilisées :

p +Ps* -> H* + e- et H + Ps -> H+ + e- .



La quantité d'anti-atomes et d'anti-ions produits dépend non seulement du flux d'antiprotons, mais aussi de la densité de la cible de positronium. En particulier la quantité d'anti-ions produits via la deuxième réaction est proportionnelle au carré de la densité de Ps. Le positronium est produit par implantation de positrons dans une silice nanoporeuse en quantité proportionnelle au flux de positrons. Le flux de positrons actuellement obtenu est d'environ 5 x 1E8 en 10 minutes, représentant déjà une amélioration d'un facteur 10 sur le record mondial.

L’objet de la thèse est de gagner jusqu'à un autre facteur 100 sur ce flux et mesurer la densité de la cible de positronium correspondante afin de mesurer la section efficace de la première réaction.



Groupe/labo/encadrement

L’équipe d’accueil comprend six physiciens dont le porte-parole de la collaboration, et un étudiant en thèse. GBAR est une collaboration internationale rassemblant une cinquantaine de physiciens de dix-huit laboratoires.



Travail proposé

D'importants facteurs peuvent être gagnés dans l'accumulation des positrons dans les pièges de Penning-Malmberg. La technique à mettre en œuvre prendra en compte le fait que le faisceau initial de positrons dans GBAR est pulsé, et se passera du gaz tampon utilisé dans le premier piège. La mesure de la densité de la cible de Ps pourra se faire soit en utilisant des détecteurs de gammas, soit en caractérisant cette cible avec le faisceau laser d'excitation du Ps. La mesure de la section efficace fera suite à une thèse durant laquelle le signal et les bruits de fond ont été étudiés par simulation. Le redémarrage du faisceau d'antiprotons est prévu pour mi 2021 pour des périodes d'environ six mois par an. Pendant les périodes sans antiprotons, un faisceau de protons permettra d'étudier la réaction symétrique produisant de l'hydrogène. Ce travail couvrira l'optimisation du piégeage, la compréhension des détecteurs, du laser d'excitation, ainsi que des calculs de simulation de l’expérience, estimation des efficacités, des bruits de fond, calcul des sections efficaces et comparaison avec les prédictions théoriques. Les résultats seront présentés en conférence et publiés.

Formation et compétences requises

L’étudiant doit avoir une formation en physique corpusculaire expérimentale. Il devra acquérir des compétences en programmation et en instrumentation, et saura travailler en équipe.

Compétences acquises

À l’issue de la thèse, l’étudiant aura acquis des connaissances en physique fondamentale (physique des particules et physique atomique), en instrumentation (techniques d’ultra-vide, détecteurs de traces, lasers, électronique) et en programmation. Il aura travaillé dans un milieu international très compétitif.

Collaborations/Partenariats

La réalisation de l’expérience est conduite comme un projet international. Le travail sera effectué au CERN.

Contacts

Scientifique :

P. Pérez (direction de la thèse), L. Liszkay (responsable de la production des positrons et du positronium), D. van der Werf (responsable du piégeage).

In this thesis we propose to contribute to an ambitious detector based on Cherenkov/Scintillating crystals. We have selected technologies that are particularly effective for PET imaging. The principles of the detector are patented. They will allow one to produce neurological PET with highly improved performances. The device uses advanced particles detector technologies: a dense scintillator crystal, micro-channel plate photomultipliers, gigahertz bandwidth amplifiers and fast data acquisition modules (WaveCatcher, SAMPIC). Data processing will involve Monté-Carlo simulations and data analysis based on GATE/Geant4 and Root C++ software libraries.



Context:

Positron emission tomography (PET) is a nuclear imaging technique widely used in oncology and neurobiological research. Decay of the radioactive tracer emits positrons, which annihilate in the nearby tissue. Two gamma quanta of 511 keV energy are produced by positron annihilation and allow one to reconstruct the annihilation vertex and distribution of the tracer activity in the body of the patient.

The precise determination of the position of the positron annihilation vertex is important for an accurate image reconstruction with a good contrast. In particular, it is useful for neuroimaging studies of brain and for pre-clinical studies with animal models (rodents).



Supervision:

You will calibrate and optimize the detector prototypes and analyze the measured data. Your will be focussing on detector time and spatial resolution optimization. This will involve many skills of an instrument scientist : fast photo-detection, fast electronics read-out (analog and digital) with picosecond precision, hardware and detector simulations with GEANT4 and GATE software.



Requirements:

Knowledge in physics of particle interaction with matter, radioactivity and particle detector principles, a vocation for instrumental (hardware) work, data analysis are mandatory. Being comfortable in programming, having a background in Gate/Geant4 simulation and C++ will be an asset.



Acquired skills:

You will acquire skills in particle detector instrumentation, simulation of ionizing radiation detectors, photo-detection, implementation, operation of fast digitizing electronics, and data analysis.



Contacts:

Dominique Yvon : dominique.yvon@cea.fr

Viatcheslav Sharyy : viatcheslav.sharyy@cea.fr

La découverte de la masse non nulle des neutrinos a ouvert une fenêtre sur une nouvelle physique au-delà du modèle standard. L'étude des oscillations de neutrinos est aujourd’hui un secteur très prometteur pour la recherche de nouveaux phénomènes inattendus. En particulier, l'analyse des oscillations des neutrinos et des anti-neutrinos auprès des expériences T2K et NOVA a fourni les premières indications sur la violation de CP dans le secteur leptonique. Si une violation de la symétrie CP pouvait être observée dans les neutrinos, ce serait une découverte majeure qui pourrait contribuer à résoudre l'une des questions les plus fondamentales à laquelle la physique s’attache à répondre qui est la prédominance de la matière sur l’antimatière dans l’Univers.



Les expériences T2HK et DUNE de longue ligne de base permettront de mesurer les oscillations des neutrinos avec de grands lots de données, et de réduire ainsi les incertitudes statistiques. Cela nécessitera donc un contrôle des incertitudes systématiques à un niveau de 1 à 2%. Les incertitudes les plus complexes étant la modélisation du flux des neutrinos et des interactions neutrino-noyau. Ainsi, le rôle des détecteurs proches et les mesures de la section efficace neutrino-noyau deviennent cruciaux. L'expérience T2K ouvre la voie à la prochaine génération d’expériences en améliorant la compréhension des incertitudes systématiques et en utilisant de nouvelles techniques sophistiquées de détection et d'analyse. L’objectif final est la découverte de la violation de CP dans le secteur leptonique, l’identification définitive de l’ordre des masses des neutrinos par les effets de matière et la mesure précise des paramètres d’oscillation dits « atmosphérique ».



La collaboration T2K prépare une mise à niveau du détecteur proche (ND280) qui sera installé en 2021, afin d'améliorer les performances du détecteur proche actuel. Ceci permettra de mesurer le taux d'interaction des neutrinos et par conséquent permettra de contraindre les sections efficaces d'interaction de neutrinos à Super-Kamiokande (le détecteur éloigné de T2K). L’incertitude systématique associée devrait être ramenée à environ 4% (contre environ 8% à ce jour). Cela améliorera la portée physique du projet T2K, permettant une exclusion à 3 sigma de la conservation du CP.



La mise à niveau du détecteur ND280 consiste à ajouter un détecteur à scintillation très granulaire, le Super-FGD, pris en sandwich entre deux détecteurs de type Time Projection Chamber (TPC) à grand angle. Les nouvelles TPC seront lues par des détecteurs Micromegas résistifs et instrumentées avec une cage de champ compacte et légère. Le SuperFGD permettra un seuil beaucoup plus bas pour la reconstruction des particules (notamment pour les protons) et, pour la première fois à T2K, la mesure des neutrons. La TPC mesurera la charge, la quantité de mouvement et les directions des traces produites par des particules chargées et fournira une identification des particules par la mesure de dE/dx avec une excellente efficacité et précision. Les détecteurs prototypes des nouvelles TPC ont été testés avec succès en 2018 et 2019 au CERN et à DESY lors des campagnes de tests en faisceaux validant ainsi les technologies de détection et leurs performances.



Le groupe de l’IRFU est fortement impliqué dans le projet TPC, notamment dans la production et les tests de détecteurs Micromegas. La première partie de la thèse sera consacrée aux analyses des données des tests de TPC. L'étudiant participera à la prise de données des tests en faisceaux prévue en octobre 2020 à DESY ainsi qu’à l'analyse de ces données. Les travaux porteront sur la caractérisation de la résistivité du Micromegas et la résolution spatiale et énergétique (dE/dx) qui en découlent. Le groupe de l’IRFU développe actuellement un modèle quantitatif pour estimer la résistivité des modules de TPC qui sera inclus dans la simulation. Un algorithme de reconstruction précis sera mis au point, basé sur l’approche appelée « Pad Response Function ». Ce sera la première mesure détaillée de la résistivité, de l’uniformité et de la résolution correspondante des MicroMegas résistifs dans un détecteur complet à grandes surfaces et aura par conséquent un impact important sur la validation de cette technologie en vue de son développement ultérieur.

La construction du détecteur pour la mise à niveau du détecteur ND280 sera achevée en 2019-2020, pour une installation au Japon prévue en 2021. L'étudiant contribuera également à l'installation et à la mise en service du détecteur ND280.



La deuxième partie de la thèse sera consacrée à l'analyse des données de T2K issues des faisceaux des neutrinos, recueillies avec le détecteur amélioré ND280, afin d'extraire une nouvelle mesure, la plus précise possible, des oscillations de neutrinos. Grâce à l'augmentation de la statistique des données et au contrôle amélioré des incertitudes systématiques avec la mise à niveau du ND280, le projet a le potentiel de réaliser les meilleures contraintes mondiales en matière de violation de CP dans le secteur leptonique. Les travaux porteront sur la définition du choix des nouveaux échantillons de données pour l’analyse, l'évaluation des incertitudes systématiques expérimentales correspondantes et la modification du cadre d'analyse pour l'ajustement des paramètres d'oscillation des neutrinos. L'extraction des contraintes du détecteur proche doit être profondément modifiée pour inclure les informations des protons et des neutrons détectés provenant des interactions du neutrino avec les noyaux ; ces protons et ces neutrons ne sont pas pris actuellement en compte dans l’analyse. Parallèlement, les incertitudes systématiques théoriques devront être réévaluées sur la base des nouveaux modèles exclusifs d'interactions neutrino-noyau.

Si la découverte du boson de Higgs intervenue au LHC en 2012 est un éclatant succès pour le Modèle Standard de la physique des particules, elle n’apporte aucune réponse à de nombreuses questions toujours ouvertes dans le domaine de la cosmologie et la physique des particules. Parmi celles-ci, on peut mentionner la nature de la matière et de l’énergie noire, l’origine du potentiel de Higgs et le fait que le Modèle Standard n’explique pas de manière satisfaisante les très petites masses des neutrinos. Les solutions naturelles à ces questions pourraient provenir de l’existence de nouveaux types d’interactions et de nouvelles particules.

C’est pourquoi depuis la découverte du boson de Higgs, les efforts 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.



Les expériences LHC disposent de plusieurs techniques et de sous-détecteurs spécialisés pour mesurer la luminosité. Toutefois, ces techniques sont entachées de divers problèmes de stabilité et de linéarité, qui en compliquent l’exploitation.

Lors du redémarrage du LHC début 2021, 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. L’Irfu contribue largement à la conception et à la production des éléments nécessaires, étant parmi les concepteurs de la carte de numérisation (LTDB, LAr Trigger Digitizing Board).

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. Des études préliminaires menées sur un prototype de la chaîne de déclenchement montrent que la précision de 1% devrait être atteignable.



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. Avec le système de lecture central, il n’est pas possible de conserver l’information sur plus de quatre ou cinq croisements de faisceaux consécutifs. Le système de déclenchement est quant à lui capable de conserver l’information sur plusieurs dizaines de croisements de faisceaux consécutifs, avec une granularité toutefois plus grossière que le système de lecture central des données. Ceci 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.

Après l’observation du boson de Higgs par les expériences Atlas et CMS en 2012, les mesures de précision des propriétés de ce boson sont aujourd’hui un des enjeux majeurs de la physique des hautes énergies et du Large Hadron Collider (LHC). En effet, il s’agit de tester la compatibilité de ce boson avec celui attendu par le Modèle Standard (MS) de la physique des particules. Dans son canal de désintégration en deux photons (H -> GG), le boson de Higgs est entièrement reconstruit, le pic de masse correspondant pouvant être mesuré avec une très bonne résolution expérimentale. En conséquence, en dépit d’un taux d’embranchement très faible dans le MS, le canal H -> GG fut l’un des deux canaux ayant permis la découverte du boson de Higgs, le canal de désintégration en quatre leptons étant le second. Le sujet de thèse proposé a pour but de mesurer les différents couplages du boson de Higgs via l’utilisation de techniques d'intelligence artificielle dites methodes d'apprentissage profond (deep learning). Par l’utilisation d’un classificateur en multiples catégories, l’ensemble des informations disponibles dans l’analyse H-> GG seront prises en compte pour fournir la meilleure séparation possible entre les différents canaux de production du boson de Higgs ainsi qu’avec les différents bruit de fonds du MS. D’autre part, le LHC subira dans les prochaines années une jouvence permettant d’augmenter sa luminosité (High Luminosity LHC, HL-LHC) d’un facteur 10 environ. En contre partie, les conditions de prise de données seront beaucoup plus difficiles. En conséquence, le détecteur CMS sera également amélioré (jouvence Phase II) pour faire face à ces conditions. La possibilité d’associer à chaque objet reconstruit dans la collision un temps mesuré avec une grande précision constitue un des aspects les plus importants de cette jouvence, ce qui permettra en conséquence d’améliorer la qualité des différentes mesures réalisées dans le canal H-> GG. Le deuxième volet de la thèse s’articulera ainsi sur le timing de haute résolution envisagé par CMS, en particulier sur la surveillance et la calibration ultra rapide du système de distribution d’horloge.

Le candidat recruté pour la thèse aura l’opportunité d’explorer différentes améliorations de l’analyse H -> GG avec l’ensemble de la statistique du run2 collecté par le détecteur CMS (140/fb). Il développera également une analyse de ce canal pour le run3 basée sur les méthodes d’apprentissage profond les plus récentes et appliquera cette méthode aux données collectées entre 2021 et 2022 par CMS (environ 115/fb attendu). Enfin, Il participera à la jouvence du détecteur CMS, en effet le module permettant la surveillance et la calibration de la distribution d’horloge sera utilisé l’ensemble des détecteurs de timing ultra précis utilisés dans l’expérience CMS. Les deux aspects du programme de thèse, qui occuperont une part égale dans le développement de la thèse, fourniront au candidat une grande visibilité dans la collaboration CMS et plus généralement dans le domaine de la physique des hautes énergies.

Depuis la première détection du neutrino en 1956 sur la centrale de Savannah River aux USA, les réacteurs nucléaires jouent un rôle prépondérant dans l’étude de leurs propriétés. Les neutrinos sont des particules élémentaires de charge électrique nulle, et qui peuvent exister sous forme de trois saveurs, chacune associée à l’électron, au muon et à la particule tau. Les neutrinos possèdent notamment la propriété de pouvoir changer spontanément de saveur au cours de leur propagation. Ce phénomène, connu sous le nom d’oscillation des neutrinos, remet en cause le modèle standard de la physique des particules et appelle à de la nouvelle physique. La probabilité d’interaction des neutrinos avec la matière est si faible qu’il est souvent nécessaire de construire des détecteurs d’au moins plusieurs tonnes afin de les étudier. Cette thèse aborde une méthode novatrice de détection des antineutrinos de réacteurs utilisant le processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN). Ce processus présente une section efficace 10 à 1000 fois plus grande que les canaux d’interaction habituellement utilisés pour détecter les antineutrinos de réacteur (désintégration beta inverse, diffusion neutrino-électron), et ouvre ainsi la voie à une miniaturisation des détecteurs. Outre cet aspect technologique, la DCNN est un processus sensible à un large spectre de physique au-delà du modèle standard (recherche de nouveaux types d’interaction, études des propriétés électromagnétiques du neutrino, recherche de nouveaux états stériles, etc.), apportant ainsi un nouveau regard sur la nature et les propriétés de cette particule.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’expérience NUCLEUS, qui a pour but de mesurer pour la première fois ce processus auprès d’un réacteur nucléaire sur la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes. La signature expérimentale de la DCNN est un recul nucléaire de très basse énergie (<0.1-1 keV), rendant les technologies conventionnelles de détection des antineutrinos de réacteur inopérantes dans ce domaine en énergie. La collaboration NUCLEUS travaille ainsi à la conception d’un détecteur cryogénique de 10 grammes atteignant des seuils en énergie de l’ordre de 10 eV. Le travail proposé dans cette thèse a pour objectif la compréhension et la caractérisation des bruits de fond dans ce domaine en énergie qui reste encore largement inexploré. Ce travail constitue le défi majeur à relever pour garantir le succès de l’expérience, et mènera à la première détection de la DCNN sur un réacteur nucléaire.

En pratique, le (la) doctorant(e) contribuera au développement d’une chaine d’analyse de données pour exploiter les mesures de bruit de fond et les données d’étalonnage des détecteurs prises au cours des différentes étapes du projet (mesures sur un premier prototype de détecteur, mesures sur un montage à blanc complet de l’expérience puis mesures sur site à Chooz). Il (elle) s’appuiera sur un outil de simulation Monte Carlo développé par notre équipe, afin de confronter ses prédictions aux données expérimentales pour d’une part comprendre l’origine des bruits de fond dans la région d’intérêt du signal DCNN recherché, et d’autre part valider et qualifier les performances du détecteur. Une attention particulière sera portée au bruit de fond neutronique, ce dernier pouvant donner lieu à des reculs nucléaires en tout point similaires à ceux induits par la DCNN. L’étudiant(e) participera également au montage à blanc de l’expérience, à l’intégration de l’expérience sur site, suivi par la mise en service des détecteurs. Dans le cadre de ces activités, il (elle) pourra être amené à voyager régulièrement à Chooz ou à Munich.

A travers ce travail l’étudiant(e) aura une formation complète de physicien expérimentateur avec des aspects d’analyse de données, de simulation, de mise au point de détecteur et d’installation sur site. La thématique de la diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux est très active dans la communauté, et lui offrira une grande visibilité ainsi que de nombreuses perspectives de recherche à l’issue de la thèse. L’étudiant(e) évoluera au sein du groupe « neutrinos de basse énergie » qui se partage entre le département de physique des particules et le département de physique nucléaire de l’Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers (Irfu) au CEA Paris-Saclay. L’équipe possède une expertise internationale reconnue en physique des antineutrinos de réacteur (expériences Double Chooz, Nucifer et STEREO) et en physique des neutrinos de basse énergie (expériences CUORE, CUPID et KATRIN). L’étudiant(e) bénéficiera également du caractère « transverse » du neutrino, et sera en interaction régulière avec les communautés de physique nucléaire, de physique des particules et de physique des réacteurs. Dans son travail quotidien, il (elle) interagira avec aussi avec les départements d’ingénierie de l’Irfu en charge de la conception et de la coordination technique de l’expérience. La collaboration NUCLEUS regroupant des partenaires en Allemagne, Italie et en Autriche, il (elle) sera aussi amené(e) à travailler en proche collaboration avec ces derniers.

Description et problématique

Cette thèse se place dans le cadre de l’expérience GBAR au CERN dont l’objectif est de mesurer l’accélération de la pesanteur sur l’antihydrogène. La spécificité de l’expérience est d’utiliser des ions antihydrogène positifs pour produire des atomes d’antihydrogène ultra-froids, permettant une mesure précise de leur chute libre. Pour produire les ions antihydrogène, il faut faire interagir des antiprotons ( p ) sur un nuage de positronium (Ps), état lié d’un électron et d’un positron. Deux réactions successives sont utilisées :



p + Ps -> H + e- et H + Ps -> H+ + e- .



Seule la contrepartie matière de la première réaction, p + Ps -> H + e+ , a été observée avec 211 événements. Il n’existe donc que des estimations théoriques du taux de production d’ions antihydrogène pour l’expérience. Ces estimations sont entachées de grandes incertitudes, s’agissant d’interactions à trois et quatre corps à basse énergie.

Le premier objectif de la thèse est de fabriquer et utiliser un faisceau d'atomes d'hydrogène afin de mesurer la section efficace de la 2ème réaction où les antihydrogènes incidents sont remplacés par ces atomes d'hydrogène. Ces mesures permettront de valider les calculs théoriques et d’optimiser les conditions expérimentales pour GBAR (énergie incidente, niveau d'excitation du Ps) avec de hautes statistiques. Le deuxième objectif est de réaliser ces mesures avec les atomes d'antihydrogène, avec beaucoup moins de statistique, mais avec pour but la production pour la première fois d'anti ions H + .



Groupe/labo/encadrement

L’équipe d’accueil comprend six physiciens dont le porte-parole de la collaboration, et un étudiant en thèse. GBAR est une collaboration internationale rassemblant une cinquantaine de physiciens de dix-huit laboratoires.

Travail proposé

Au démarrage de la thèse, l’expérience sera en fin d’installation au CERN. L’étudiant participera aux mesures avec le faisceau d'hydrogène (octobre 2020 - mi 2021). Ce travail couvrira la compréhension des détecteurs ainsi que des calculs de simulation de l’expérience, estimation des efficacités, des bruits de fond, calcul des sections efficaces et comparaison avec les prédictions théoriques. Les mesures systématiques avec les antiprotons démarreront à partir du deuxième semestre 2021 quand le faisceau d’antiprotons sera opérationnel. Les résultats seront présentés en conférence et publiés.

Formation et compétences requises

L’étudiant doit avoir une formation en physique corpusculaire expérimentale. Il devra acquérir des compétences en programmation et en instrumentation, et saura travailler en équipe.

Compétences acquises

À l’issue de la thèse, l’étudiant aura acquis des connaissances en physique fondamentale (physique des particules et physique atomique), en instrumentation (techniques d’ultra-vide, détecteurs de traces, lasers, électronique) et en programmation. Il aura travaillé dans un milieu international très compétitif.

Collaborations/Partenariats

La réalisation de l’expérience est conduite comme un projet international. Une grande partie du travail sera effectué au CERN.

Contacts

Scientifique :

P. Debu (direction de la thèse), L. Liszkay (responsable de la production des positrons et du positronium), P. Pérez (porte-parole de l’expérience).

Les développements récents dans les systèmes informatiques et les algorithmes de "deep-learning", associés à des grands lots de données, ont conduit à des progrès impressionnants en matière d'intelligence artificielle. Le traitement d'images avec les techniques de "computer vision", en particulier, ont émergé comme un champs de recherche dynamique avec plusieurs applications.



Même s'ils ont été marginalement étudiés dans le cadre des collisions de particules à hautes énergies, les algorithmes de "deep-learning" ont démontré la capacité de classifier les particules et les événements, estimer la valeur de variables cinématiques et détecter des anomalies. Cela sera extrêmement utile dans l'analyse des énormes quantités de données attendues lors des prochaines phases d'opération du Grand Collisioneur d'Hadrons (LHC en anglais) au CERN. L'expérience CMS sera considérablement améliorée pour gérer l'augmentation du nombre de collisions par faisceaux du LHC ("pileup"), avec des détecteurs plus finement segmentés et des mesures précises des temps des collisions. L'exploration de ces données dépendra de la rapidité, de la robustesse et de l'adaptabilité de la reconstruction et de l'analyse des événements.



Le sujet de thèse proposé est inséré dans le cadre du développement d'algorithmes sophistiqués de "machine learning" pour l'identification des particules, la suppression du pileup (empilement) and finalement la classification des événements appliquée à la mesure des propriétés du boson de Higgs. Le candidat contribuera à ces études et participera au développement et aux tests de l'électronique qui permettra aux divers sous-systèmes du détecteur CMS de mesurer précisément le temps des collisions.