Les stages

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Vers la détection du processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux auprès de réacteurs: études et simulations des bruits de fond pour le prototypage d’un détecteur
Toward coherent elastic neutrino nucleus scattering detection at reactors: simulation of backgrounds for the design study of a new detector

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

31-08-2018

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Vivier Matthieu
+33 1 69 08 66 26

Résumé/Summary

La diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux est un processus d’interaction prometteur qui pourrait ouvrir la voie vers la miniaturisation des détecteurs de neutrinos, et aller sonder de la nouvelle physique au-delà du modèle standard de la physique des particules. Ce stage se propose de mener une étude poussée des bruits de fond pour concevoir une nouvelle expérience de détection des neutrinos basé sur ce processus, et dont le déploiement se ferait sur la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes.
Coherent elastic neutrino nucleus scattering is a promising interaction process which could potentially allow to scale down neutrino detectors, and probe new physics beyond standard model of particle physics. This internship consists in carrying a in-depth study of backgrounds for the design of a new experiment dedicated to the detection of neutrinos through this process at the Chooz nuclear power plant, in France.

Sujet détaillé/Full description

La diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN) est un processus d’interaction des neutrinos prédit il y a plus de 40 ans dans le cadre de l’élaboration du modèle standard de la physique des particules, et dont la première détection a été réalisée cette année par la collaboration américaine « COHERENT ». Ce processus, pouvant présenter des sections efficaces 10 à 1000 fois plus grandes que les canaux d’interaction classiques utilisés pour étudier les propriétés fondamentales du neutrino, offre des perspectives attrayantes pour la miniaturisation des détecteurs et la recherche de nouvelle physique au-delà du modèle standard (recherche de neutrinos stériles, recherches d’interactions non-standard, etc...). Il reste cependant largement inexploité, notamment parce que les reculs nucléaires induits sont de très faible énergie et nécessitent donc des détecteurs à très bas seuil et très bas bruit de fond pour être observés. Nos équipes s’orientent donc vers l'étude de détecteurs cryogéniques fonctionnant sur le principe de la bolomètrie, pour concevoir une future expérience déployée sur la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes.

Ce stage a pour objectif d’étudier et de simuler les bruits de fond de l’expérience, et ceci afin d’optimiser la configuration des blindages pour les réduire au maximum au profit du signal recherché. Les bruits de fond pouvant donner lieu à des reculs nucléaires similaires à ceux induits par la DCNN viennent principalement des muons et des neutrons créés par l’interaction du rayonnement cosmique dans l’atmosphère. L’étude de ces bruits de fond s’appuiera principalement sur un outil de simulation basé sur les logiciels Geant 4 et ROOT, et pourra bénéficier de mesures préliminaires déjà réalisées sur la centrale de Chooz. Des techniques de réduction de variance, permettant de réduire le nombre de tirages Monte Carlo et donc les temps de calculs, pourront éventuellement être implémentées et utilisées.

Dans le cadre de cette étude, l’étudiant(e) sera amené(e) à interagir et collaborer avec les membres du projet, et pourra éventuellement participer aux campagnes de mesures de bruit de fond qui se dérouleront sur site. Ce stage sera pour lui/elle l’occasion d'approfondir ses connaissances dans différents domaines comme l’interaction rayonnement-matière, l’instrumentation, la conception et la simulation Monte Carlo de détecteurs en physique des particules et l’analyse de données. A l’issu de ce stage, il/elle aura d’autre part acquis des compétences avancées en programmation orientée-objet et en techniques de simulation Monte Carlo.

Ce stage pourra se poursuivre par une thèse.
Coherent elastic neutrino nucleus scattering (CENNS) is a neutrino interaction process predicted 40 years ago by the standard model of particle physics, and first detected this year by the « COHERENT » US collaboration. This process can exhibit interaction cross-sections a factor 10 to 1000 times bigger than cross-sections of other neutrino interaction channels used to study the fundamental properties of the neutrino. It would thus offer promising perspectives for scaling down the size of current neutrino detectors, and it is also sensitive to new physics beyond the standard model (sterile neutrino, non-standard neutrino interactions, etc…). However, this process remains at the current time largely unexploited, mostly because the induced nuclear recoils are of extremely low energies and hence call for low energy threshold and low background detectors in order to be observed. Our research teams therefore focus on the development of cryogenic macro-bolometers to design an experiment able to detect reactor neutrinos through this process and deployed at the Chooz nuclear power plant, in France.

The goal of this internship is to conduct a in-depth study and simulation of backgrounds for such an experiment. This study will allow to optimize a shielding configuration able to efficiently suppress such backgrounds. Most of the backgrounds giving nuclear recoils similar to CENNS induced recoils come from muon and neutron particles created through the interaction of cosmic rays in the earth’s atmosphere. The study of such muon and neutron backgrounds will be performed using a Geant 4-based simulation tool, and could also use some preliminary on-site background measurements performed at Chooz. Variance reduction techniques, which allow to speed up the simulation within configurations where particles are heavily attenuated, may be implemented and used for this study.

Mots clés/Keywords

Physique des particules, physique des neutrinos, simulation
Particle physics, neutrino physics, simulation

Compétences/Skills

Programmation C++ Simulation Monte Carlo avec Geant 4 Analyse de données avec ROOT
C++ programming Monte Carlo simulation with Geant 4 Data analysis with ROOT

Logiciels

ROOT Geant 4 C++
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