Les sujets de thèses

23 sujets IRFU

Dernière mise à jour : 13-11-2018


• Astroparticules

• Astrophysique

• Mathématiques - Analyse numérique - Simulation

• Physique nucléaire

• Physique des accélérateurs

• Physique des particules

• Physique du solide, surfaces et interfaces

• Physique nucléaire

 

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.

Mesure des paramètres cosmologiques avec les ondes gravitationnelles et l'agglomération des galaxies: Synergie entre LISA et Euclid

SL-DRF-19-0429

Domaine de recherche : Astroparticules
Laboratoire d'accueil :

Direction d'Astrophysique (DAP)

Laboratoire CosmoStat (LCS)

Saclay

Contact :

Martin Kilbinger

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

Contact :

Martin Kilbinger

CEA - DRF/Irfu/SAp/LCS

01 69 08 17 53

Directeur de thèse :

-

Page perso : http://www.cosmostat.org/people/kilbinger

Labo : http://www.cosmostat.org

Cette thèse explorera le potentiel des ondes gravitationnelles (OG) au distances cosmologiques comme "sirènes standards", dans le but de mesurer l'histoire de l'expansion de l'Univers. Puisque la plupart des OG de la fusion des trous noirs n'est pas associé à une contrepartie électromagnétique, nous devons estimer le redshift de la galaxie hôte de l'OG d'une façon statistique. Pour achever, nous proposons d'utiliser des larges relevés profonds photométriques de galaxies. Ces données aideront à réduire la magnification de la distance lumineuse par l'effet de lentille faible.



Pour l'analyse du diagramme de Hubble, nous visons à comprendre et modéliser l'incertitude de distance lumineuse (génération et propagation du signal), les erreurs de redshift (en utilisant les données photométriques et clustering), et l'inférence des paramètres, qui sera abordé par du forward-modelling et des méthodes sans vraisemblance, pour tenir en compte la non-Gaussianité des données.

Caractérisation de systèmes binaires galactiques par ondes gravitationnelles

SL-DRF-19-0358

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique Nucléaire (DPHN)

Groupe Théorie Hadronique

Saclay

Contact :

Hervé Moutarde

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

Contact :

Hervé Moutarde

CEA - DRF/IRFU/SPhN/Théorie Hadronique

33 1 69 08 73 88

Directeur de thèse :

Hervé Moutarde

CEA - DRF/IRFU/SPhN/Théorie Hadronique

33 1 69 08 73 88

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/herve.moutarde/

Labo : http://irfu.cea.fr/

Voir aussi : http://www.cosmostat.org/people/jerome-bobin

En 2016, l’annonce de la première détection directe d’ondes gravitationnelles a ouvert une ère durant laquelle l’univers sera sondé d’une manière inédite. Simultanément, le succès complet de la mission LISA Pathfinder a validé certaines technologies retenues pour le projet LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Cet observatoire spatial serait constitué de trois satellites éloignés de 2.5 millions de kilomètres et permettrait la détection directe d’ondes gravitationnelles indétectables par les interféromètres terrestres. Son lancement est prévu par l’ESA pour 2034.



A la différence des observatoires au sol, sensibles à de rares signaux d’ondes gravitationnelles et soumis à un bruit de mesure dominant, un interféromètre spatial sera en permanence alimenté par un grand nombre de signaux distincts et caractérisés théoriquement à divers degrés de précision. Les estimations actuelles des quantités et types de source envisagent entre autres 60 millions de systèmes binaires galactiques émettant de manière continue, 10 à 100 signaux annuels provenant de trous noirs supermassifs, et de 10 à 1000 signaux annuels issus de systèmes binaires avec des rapports de masses très élevés.



Un des objectifs scientifiques de LISA est l’étude de la formation et de l’évolution des systèmes binaires galactiques : des naines blanches, mais aussi des étoiles à neutrons ou des trous noirs d’origine stellaires. Plusieurs systèmes binaires dits « de vérification » sont déjà identifiés comme sources d’ondes gravitationnelles détectables par LISA, et ce nombre devrait augmenter de manière significative grâce aux mesures collectées par le satellite Gaia et le télescope LSST.



LISA devrait permettre la caractérisation d’environ 25000 systèmes binaires galactiques. Les nombreux autres systèmes échappant à une détection individuelle formeront un fond stochastique, ou bruit de confusion. De plus, comme dans toute expérience, les données réelles seront soumises à un certain nombre de bruits et d’artefacts à prendre en compte pour optimiser le potentiel scientifique de la mission.



Le fil conducteur du travail proposé est une démonstration de la capacité scientifique et technique à traiter des données réelles de manière fiable et robuste. Les systèmes binaires galactiques constituent un excellent terrain d’essai. Ce type de signal est mesurable sur LISA, et sa forme pour un système individuel est bien connue d’un point de vue théorique. Néanmoins, extraire l’information d’intérêt astrophysique de ces signaux requiert de résoudre différents problèmes de traitement du signal tels que :

1. La séparation de plusieurs sources individuelles, apparaissant comme un spectre de raies, d’un fond stochastique.

1. La prise en compte de déviations inattendues (glitches) dans l’analyse de données à partir du retour d’expérience de LISA Pathfinder.

2. L’analyse à partir de données incomplètes, dues aux périodes d’interruption dans l’acquisition des données (maintenance, instabilités de sous-systèmes, etc.).

3. Le développement de méthodes d’analyse robustes vis-à-vis de bruits non gaussiens, ou non stationnaires, ou corrélés.



Il est attendu que ces différents éléments auront un impact important sur l’estimation des signaux d’ondes gravitationnelles. Dans ce cadre, ce travail de thèse consistera tout d’abord en l’étude de leur impact sur l’analyse, puis au développement de nouvelles méthodes inspirées de problèmes analogues en traitement d’image appliqué à l’astrophysique. Ces méthodes reposent sur la modélisation parcimonieuse des signaux. Celle-ci permet d’exploiter les différences de formes ou de morphologie entre ces signaux et le bruit pour la résolution de problèmes inverses. Le candidat adaptera les algorithmes tirant parti de cette diversité morphologique, les implémentera et analysera leur apport sur des données simulées réalistes associées à LISA, et si possible sur des données réelles d’interféromètres au sol.



Cet ensemble d’activités peut toutefois être amené à évoluer en fonction des avancées théoriques d’une part, et de la publication de nouvelles mesures d’autre part. Toutes ces activités peuvent conduire à des contraintes de dimensionnement de la mission, des outils ou méthodes de traitement des données. Ce sujet comporte une dominante de traitement du signal et de programmation soignée, mais son aspect pluridisciplinaire rend possible l’exploration de nombreux champs en fonction des opportunités scientifiques et de la durée impartie d’une thèse.

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.

Gaz interstellaire sombre et Bulles de Fermi

SL-DRF-19-0264

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Direction d'Astrophysique (DAP)

Laboratoire d'Etudes des Phénomènes Cosmiques de Haute Energie (LEPCHE)

Saclay

Contact :

Isabelle GRENIER

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

Contact :

Isabelle GRENIER

Université Paris Diderot - DSM/IRFU/SAp/LEPCHE

01 69 08 44 00

Directeur de thèse :

Isabelle GRENIER

Université Paris Diderot - DSM/IRFU/SAp/LEPCHE

01 69 08 44 00

Page perso : https://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/team/bio_grenier.html

Labo : irfu.cea.fr/dap/

De grandes quantités de gaz échappent, faute d’émission, à l’inventaire du milieu interstellaire [1]. Ce gaz sombre se concentre à l’interface entre les phases atomiques et moléculaires des nuages. Il joue un rôle déterminant dans le cycle interstellaire et il nous informe sur la capacité des grands réservoirs de gaz atomique des galaxies à produire des nuages moléculaires pour former des étoiles. Or on ignore presque tout de la composition, de l’état et de l’abondance du gaz sombre, et comment ces propriétés varient à l’échelle d’une galaxie. Trouver des moyens directs d’observation et caractériser cette phase interstellaire sont donc deux objectifs majeurs pour comprendre les écosystèmes galactiques.

On révèle indirectement le gaz sombre en couplant les observations des poussières qu’il contient et des rayons cosmiques qui le sillonnent et rayonnent en gamma. Le but proposé pour la thèse est d’exploiter les données gamma de Fermi et de multiples traceurs interstellaires (Planck, WMAP, Gaia, nouveaux relevés radio et mm) pour étudier le plus grand complexe de gaz sombre du voisinage solaire. Les analyses permettront de quantifier le contenu en gaz visible et sombre des nuages, de suivre la pénétration des rayons cosmiques dans les phases denses et de caractériser l’évolution des propriétés des poussières d’une phase à l’autre. Ce dernier point est essentiel pour ouvrir la voie à des études Galactiques et extragalactiques fiables du gaz sombre en ne s’appuyant que sur l’émission des poussières.

L’étude devra relever le défi de séparer l’émission gamma interstellaire de celle des Bulles de Fermi (grands jets de particules de haute énergie expulsés des régions centrales de la Galaxie) en développant une méthode de séparation de composante multi-spectrale.

L’étudiant(e) pourra également participer au projet de ballon sub-millimétrique co-PILOT du CNES, prévu pour 2020 pour rechercher des signatures de recombinaison de C+ dans le gaz sombre local.

Le travail s’effectuera au sein de la Collaboration internationale Fermi et profitera de nombreux échanges avec des experts interstellaires en France (à l’ENS et l’IRAM), aux Etats-Unis (Alma, Stanford), en Australie (SKA-GASKAP) et en Chine (FAST). L’étudiant(e) participera en début de thèse au mois d’atelier international sur le gaz sombre qui se tiendra à l’Institut Pascal de l’Université Paris-Saclay.

[1] Grenier et al., 2005, Science 307, 1292

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.).

Recherche de sursauts gamma avec CTA

SL-DRF-19-0326

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Direction d'Astrophysique (DAP)

Laboratoire d'Etudes des Phénomènes Cosmiques de Haute Energie (LEPCHE)

Saclay

Contact :

Thierry STOLARCZYK

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

Contact :

Thierry STOLARCZYK

CEA - DRF/IRFU/DAp/LEPCHE

+33 1 69 08 78 12

Directeur de thèse :

Thierry STOLARCZYK

CEA - DRF/IRFU/DAp/LEPCHE

+33 1 69 08 78 12

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/thierry.stolarczyk/

Labo : http://irfu.cea.fr/dap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=3709

Voir aussi : https://www.cta-observatory.org/

L’observatoire CTA est sur le point de transformer notre vision du ciel à très haute énergie grâce à des performances dix fois supérieures à celles des instruments existants et à des capacités inédites pour l’étude des phénomènes transitoires. L’objectif de la thèse est d’étudier l’influence du fond diffus de lumière extragalactique sur la détectabilité des sursauts gamma, et de contribuer à optimiser les performances de détection en temps réel de ces sursauts et ainsi que d’éventuelles contreparties aux ondes gravitationnelles. Le travail de recherche contribuera au développement de la chaîne de traitement des données et aux outils d’analyse scientifique de CTA, et exploitera les premières données de l’observatoire.

The role of gas and star formation inside the first forming galaxy structures

SL-DRF-19-0046

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Direction d'Astrophysique (DAP)

Laboratoire de Cosmologie et d'Evolution des Galaxies (LCEG)

Saclay

Contact :

Emanuele DADDI

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2018

Contact :

Emanuele DADDI

CEA - DRF/IRFU/SAp

Directeur de thèse :

Emanuele DADDI

CEA - DRF/IRFU/SAp

At redshifts of z=2 to 3, the epoch of the peak star formation and black hole activity in the Universe, the first giant dark matter halos were also growing very rapidly, and baryons falling into their deep potential wells induced prodigiously vigorous activity leading to the major phases of galaxy and black hole assembly, often hidden by dust. These early phases for the evolution of galaxies are expected to be crucial to lead to the formation of their dominant early type galaxy population (via quenching mechanisms still poorly understood) and well relaxed hot gas atmospheres, as observed in local massive galaxy clusters (via some sort of yet unknown feedback between galaxies and the hot gas, leading to energy and entropy injection affecting its thermodynamic evolution). The overall physical processes relevant for galaxies and structures evolution in the first forming clusters are still largely poorly mapped, and yet not well understood. But increasing interest and efforts in the community coupled with emerging observational results and prospects for future mission (e.g., JWST, Euclid and Athena) make this research field one of the most hot and promising in the current domain of galaxies and structure formation. I propose a PhD thesis in Saclay in this research field, based on new observations with ALMA, NOEMA, Herschel, HST and Keck of two dense structures discovered by our research groups at z=2 and 2.5 (Gobat et al 2011; 2013; Wang et al 2016) and a new forming cluster found at z=2.91. The student will be responsible of the final reduction, analysis and interpretation of a substantial amount of data we obtained

with the new and revolutionary Keck Cosmic Web Imager, allowing for the first time 3D spectroscopy in the blue over large fields, down to wavelengths not accessible to the MUSE instrument at the VLT. These Keck data have revealed giant clouds of cold gas extending over 100kpc or more at the cluster cores, detected from their Lya emission. The high level goal of the thesis will be to observationally characterise and understand the nature, origin and fate of these giant reservoirs of cold gas. This will be done in particular in connection with galaxy activity present in the clusters, that will be probed by HST multicolour imaging (to reveal morphologies, stellar populations and merging rates possibly connected to galaxy stripping and production of inter cluster material) and with NOEMA, ALMA and Herschel (to study gas reservoirs, star formation hidden by dust and the state of the interstellar medium). The cold gas might eventually result to be a first convincing smoking gun of cold flow accretion to massive dark matter halos required by theory to justify the vigorous galaxy activity present at high redshift. Such smoking gun has long been sought observationally at high redshifts but never convincingly detected yet. Possible evidences leading to this could be connected with the morphology of the Lya gas, large kinematics and metal enrichment, that we will be able to investigate with existing data and with future observations. The student will be, in fact, involved during the PhD in a vigorous effort of proposing for Keck, VLT and ALMA/NOEMA time, to foster this science, with a resulting expertise in all aspects of observational astronomy, including experience with dealing with truly multi-wavelength datasets.

Séparation de composantes à partir de donnée multi-fréquences en radio-interférométrie, application à l'estimation du signal EoR

SL-DRF-19-0119

Domaine de recherche : Mathématiques - Analyse numérique - Simulation
Laboratoire d'accueil :

Département d'Electronique, des Détecteurs et d'Informatique pour la physique (DEDIP)

Laboratoire de cosmologie et statistiques (LCS)

Saclay

Contact :

Jérôme Bobin

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

Contact :

Jérôme Bobin

CEA - DRF/IRFU/SEDI/LCS

0169084463

Directeur de thèse :

Jérôme Bobin

CEA - DRF/IRFU/SEDI/LCS

0169084463

Page perso : http://jbobin.cosmostat.org

Labo : http://www.cosmostat.org

Avec le développement des radio-télescopes de taille continentale, l'analyse de données radio-interférométriques multi-fréquences devient un enjeu majeur tant en traitement du signal qu'en astrophysique. A ce titre, l'un des objets d'intérêt astrophysique est le signal cosmologique à l'époque de la réionisation de l'Univers dont l'extraction repose sur l'utilisation de méthodes de séparation de composantes. De telles méthodes permettent de décomposer des données multi-fréquences en composantes physiques élémentaires. Cependant, les méthodes actuelles sont limitées à plus d'un titre: i) les données sont constituées de mesures incomplètes dans le domaine de Fourier et ii) le signal recherché est bien plus faible que le niveau des sources d'origine galactique ou le bruit instrumental. En conséquence, l'extraction du signal EoR requiert le développement de méthodes de séparation de composantes dédiées permettant de résoudre à la fois un problème de séparation et d'échantillonnage compressé (compressed sensing) pour la prise en compte de l'incomplétude des données. Par ailleurs, le niveau de précision nécessaire conduira à la prise en compte de modèles physiques paramétriques et généralement non-linéaires au sein même de l'algorithme de séparation. Ces développements pourront faire appel à des outils de Machine Learning pour l'apprentissage de modèles complexes. Enfin, l'astrophysique entrant dans l'ère

du Big Data, une attention particulière sera portée sur la mise en oeuvre d'algorithmes efficaces d'un point de vue computationnel.

Transport Optimal et Deep Learning pour la modélisation de la réponse instrumentale du télescope spatial Euclid

SL-DRF-19-0010

Domaine de recherche : Mathématiques - Analyse numérique - Simulation
Laboratoire d'accueil :

Direction d'Astrophysique (DAP)

Laboratoire CosmoStat (LCS)

Saclay

Contact :

Jean-Luc STARCK

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

Contact :

Jean-Luc STARCK

CEA - DSM/IRFU/SAp/LCS

01 69 08 57 64

Directeur de thèse :

Jean-Luc STARCK

CEA - DSM/IRFU/SAp/LCS

01 69 08 57 64

Page perso : http://jstarck.cosmostat.org

Labo : http://www.cosmostat.org

Le projet spatial Euclid, dont le lancement est prévu en 2020, observera le ciel en optique et en infrarouge et permettra de construire des cartes de très grandes échelles afin mesurer les distorsions gravitationnelles jusqu’à des redshifts très élevés. Grâce à ces mesures de cisaillement (shear) gravitationnel, nous pourrons reconstruire des cartes de matières noires de 15000 degrés carrés, soit presque la moitié du ciel. Ces mesures de shear sont dérivées de l’analyse des formes de galaxies, qui sont floutées dues l’optique du télescope. L’un des problèmes majeurs pour atteindre les objectifs scientifiques est donc la nécessité de modéliser la fonction d'étalement du point (Point Spread Function (PSF) en anglais) du satellite, et de mesurer la forme des galaxies avec une très grande précision et corrigée de la PSF. Le champ de PSF peut être calculé à partir des étoiles contenues dans les images observées. Il doit prendre en compte la variation spatiale et spectrale de la réponse de l’instrument. Une difficulté supplémentaire vient du problème de sous échantillonnage des images.

Nous avons récemment montré (Schmitz et al 2018) que les techniques de transport optimal (OT) nous permettent de bien modéliser la variation de la PSF avec la longueur d’onde et des travaux en cours (Schmitz et al 2018) consistent à construire une modélisation tridimensionnelle de la PSF, qui tient en compte à la fois de la variation spatiale de la PSF et de sa dépendance à la longueur d’onde. Si le transport optimal permet d’obtenir de très beaux résultats, son utilité est limitée en pratique, pour des raisons de temps de calcul trop importants dans le cas de grands volumes de données comme ceux liés au projet Euclid.

Le but de cette thèse est de trouver une solution efficace pour construire un tel modèle tridimensionnelle de PSF. Une solution pourrait être d’utiliser la technique Deep Wasserstein Embedding (Courty, Flamary and Ducoffe, 2017) afin d’obtenir une approximation de la solution, mais avec une complexité bien meilleure. La seconde étape sera d’interpoler, à partir des PSFs 3D reconstruites aux positions des étoiles dans le champ, la PSF à n’importe quelle position spatiale. Ceci se fera en étendant à la troisième dimension l’interpolation 2D basée sur Graph Laplacian (Schmitz, Starck and Ngole, 2018), qui permet d’effectuer l’interpolation sur la variété adéquate. La dernière étape sera de quantifier l’erreur de modélisation en étudiant à partir de simulation la propagation de ces erreurs de reconstruction sur l’estimation des paramètres cosmologiques.

Synthèse des descriptions 3D du proton

SL-DRF-19-0359

Domaine de recherche : Physique nucléaire
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique Nucléaire (DPHN)

Groupe Théorie Hadronique

Saclay

Contact :

Hervé Moutarde

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

Contact :

Hervé Moutarde

CEA - DRF/IRFU/SPhN/Théorie Hadronique

33 1 69 08 73 88

Directeur de thèse :

Hervé Moutarde

CEA - DRF/IRFU/SPhN/Théorie Hadronique

33 1 69 08 73 88

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/herve.moutarde/

Labo : http://irfu.cea.fr/dphn/en/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=493

Voir aussi : http://partons.cea.fr/

L’étude expérimentale et théorique de la structure du nucléon en termes de ses constituants élémentaires, quarks et gluons, est un axe de recherches au cœur de programmes expérimentaux actuellement menés à Jefferson Lab (US) ou au CERN. C’est une des justifications majeures à la construction d’un futur collisionneur électron–ion (EIC). Cette thématique, au confluent de la relativité restreinte et de la mécanique quantique, bénéficie d’un cadre théorique (la Chromo Dynamique Quantique, QCD) bien établi, et de perspectives expérimentales bien définies. Les distributions de partons généralisées (GPD) et les distributions de partons dépendant de l’impulsion transverse (TMD) offrent un regard neuf sur le nucléon : elles donnent accès, pour la première fois, à des informations complémentaires en trois dimensions sur la structure du nucléon.



GPD et TMD sont deux facettes d’un objet plus général, la distribution de Wigner, qui est l’analogue quantique et relativiste de la fonction de distribution rencontrée par exemple en physique statistique. Ensemble, GPD et TMD ouvrent la voie à une description de l’espace des phases (positions et quantités de mouvement) accessible aux quarks et aux gluons à l’intérieur du nucléon. Jusqu’à aujourd’hui, les GPD et TMD ont été au centre de programmes de recherche actifs mais encore très largement indépendants du fait de la complexité de chacun de ces sujets.



Les GPD sont accessibles aux travers de certains processus exclusifs (toutes les particules dans l’état final sont détectées) tels que la diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) ou la diffusion de mésons profondément virtuelle (DVMP). Les TMD sont accessibles au travers d’autres processus, tels que la diffusion profondément inélastique semi-inclusive (SIDIS) ou le processus Drell-Yan (DY). Tous ces processus font l’objet d’études intenses, et certains d’entre eux ont déjà livrés des milliers d’observables dont l’analyse détaillée est en cours. Les recherches liées aux GPD et TMD sont arrivées à maturité expérimentale, théorique et technique, et sont à l’aube d’une ère de phénoménologie de précision.



Le candidat doctorant se concentrera sur la construction de nouveaux modèles de GPD et de TMD de nucléon reposant sur des hypothèses de modélisation communes, et procédera à la phénoménologie associée à ces modèles. Il évaluera l’apport à la description de la structure 3D du nucléon de cette première analyse commune des données expérimentales associées aux GPD et aux TMD.

1. Construction d’un modèle de GPD et TMD à partir de fonctions d’ondes sur le cône de lumière en s’appuyant sur la stratégie générale dite d’extension covariante. Une attention particulière sera accordée à la description du nucléon ou bien en termes d’un état lié d’un quark et d’un diquark, ou bien comme un état lié de trois quarks.

2. Calculs des différentes observables associées à ces GPD et TMD, au moins dans le cadre des processus DVCS et DY au moyen des codes PARTONS et ArTeMiDe , et comparaison aux données expérimentales existantes. Contraintes éventuelles sur les fonctions d’ondes utilisées pour construire les modèles de GPD et TMD.

3. Etude de la structure 3D du nucléon à partir des fonctions d’ondes sur le cône de lumière ainsi contraintes par les données expérimentales, en particulier structure en spin, énergie, quantité de mouvement, ou pressions longitudinale et transverse.



Cet ensemble d’activités peut toutefois être amené à évoluer en fonction des avancées théoriques d’une part et de la publication de nouvelles mesures d’autre part. Dans l’ensemble, il faut préciser que si ce sujet comporte une part de programmation soignée, l’essentiel de l’effort portera sur la physique. En effet, la majeure partie de l’activité informatique sera traitée par un informaticien professionnel travaillant dans le cadre de l’infrastructure d’accès virtuel 3DPartons financée par l’Union Européenne de 2019 à 2023 dans le cadre de la proposition STRONG-2020. Ceci permettra de concentrer les efforts du candidat doctorant sur la modélisation, l’analyse physique et l’interprétation des résultats.



« Optimisation des sources d’ions légers de haute intensité »

SL-DRF-19-0298

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

Département des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme (DACM)

Laboratoire d'Etudes et de Développements pour les Accélérateurs (LEDA)

Saclay

Contact :

Olivier TUSKE

Date souhaitée pour le début de la thèse :

Contact :

Olivier TUSKE

CEA - DRF/IRFU/SACM/LEDA

+33 1 69 08 68 20

Directeur de thèse :

Olivier TUSKE

CEA - DRF/IRFU/SACM/LEDA

+33 1 69 08 68 20

Depuis plusieurs années, le CEA développe des sources de faisceaux intenses d’ions légers à partir de plasmas générés par résonance cyclotronique électronique (ECR). Son expérience, mondialement reconnue, lui a permis de prendre en charge la fabrication des sources et injecteurs de protons ou de deutons pour des grands projets internationaux tels que IFMIF, FAIR et Spiral2.

Grâce à leurs performances, en particulier l’intensité du faisceau délivré et la fiabilité, ces sources sont recherchées pour les futures sources intenses de neutrons (pour les études de matériaux des réacteurs de fusion, les expériences utilisant la diffraction neutronique par exemple), les projets de réacteurs nucléaires pilotés par accélérateurs ou pour le traitement du cancer par capture de neutrons sur le bore.

Les travaux réalisés au cours de cette thèse mèneront à une meilleure connaissance des phénomènes physiques mis en jeu comme l’interaction de l’onde radiofréquence avec le plasma et le confinement magnétique. L’amélioration des connaissances permettra d’optimiser la qualité des faisceaux issus des sources ECR (émittance, stabilité, reproductibilité et pureté ionique). Elle permettra également de porter l’intensité extraite au-delà des records actuels. Des sources plus compactes et un meilleur rendement sont également attendus.

Ce programme est très ambitieux et ne pourra être validé que par de nombreuses mesures expérimentales réalisées sur le site de Saclay soit sur le plasma lui-même, soit sur les faisceaux extraits avec des diagnostics dédiés.

La maitrise des hautes intensités est une des clés du futur dans le domaine des accélérateurs. C’est pourquoi ces sources d’ions innovantes contribueront donc à renforcer la position du CEA parmi les leaders mondiaux dans le domaine des sources d’ions légers et des accélérateurs de particules.

ETUDE DE LA PRODUCTION DE QUARKONIA PROMPT DANS LES COLLISIONS PROTON- PROTON AU LHC AVEC ALICE

SL-DRF-19-0328

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

Service de Physique Nucléaire (DPHN)

Groupe ALICE

Saclay

Contact :

Javier CASTILLO

Andrea Ferrero

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

Contact :

Javier CASTILLO

CEA - DRF/IRFU/SPhN/ALICE

+33 169087255

Directeur de thèse :

Andrea Ferrero

CEA - DRF/IRFU/SPhN

0169087591

Labo : http://irfu.cea.fr/en/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=4190

Voir aussi : http://alice.web.cern.ch

Quelques microsecondes après le Big Bang l’Univers se trouvait dans un état de plasma de quarks et de gluons (QGP). Cet état, prédît par la Chromodynamique Quantique, la théorie de l’interaction forte, est atteint pour des températures ou des densités d’énergie très élevées, telles que celles atteintes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes au LHC au CERN. L’étude de la production des quarkonia, états liés de quarks lourds (charme c-cbar ou beauté b-bbar), est particulièrement pertinente pour comprendre les propriétés du QGP.



Les quarkonia sont des particules rares et lourdes produites aux premiers instants de la collision, avant la formation du QGP. Ceci en fait des sondes idéales du QGP. En le traversant, l’énergie de liaison de la paire quark/anti-quark serait écrantée par le champ de couleur des nombreux quarks et gluons du QGP, et les quarkonia peuvent être dissociées (suppression des quarkonia). Différents états quarkonia ayant différentes énergies de liaison, la probabilité de dissociation de chaque état sera différente (suppression séquentielle). De plus, si le nombre initial de paires quark/anti-quark est élevé, et si les quarks lourds thermalisent dans le QGP, alors des nouveaux quarkonia peuvent être crées par le QGP par recombinaison de quarks lourds. C’est le mécanisme de régénération. Au LHC, Upsilon (b-bbar) et J/psi (c-cbar) sont complémentaires, les premiers sont plus aptes pour étudier la suppression séquentielle, alors que les seconds permettent d’étudier la régénération (création de quarkonia par recombinaison des quarks du QGP). Les quarkonia sont mesurées à travers leur désintégration en paires de muons, qui sont reconstruits par le spectromètre a muons de l’expérience ALICE.



Suite à la prise des données du Run1 et Run2, le détecteur d’ALICE sera amélioré pour augmenter le taux d’interaction de 8 kHz a 50 kHz pour les collisions Pb-Pb. En combinaison avec un nouveau mode d’acquisition continu (sans déclenchement), cela permettra pendant le Run 3 et 4 d’enregistrer une statistique de collisions d’ions lourds d’environ 100 fois supérieure à celle du Run 1 et 2. Dans le cadre de l’étude du Quarkonia, il sera possible de mesurer la suppression et régénération du J/psi avec une bien meilleure précision statistique, mais aussi d’étudier des états quark-antiquark plus rares. La présence d’un nouvel télescope de détecteurs au silicium (MFT) situé en amont du spectromètre à muons permettra de séparer les contributions des J/psi prompt et non-prompt (résultant de la désintégration d’hadrons B).



Nous proposons d’étudier la production des quarkonia prompt dans les collisions proton-proton, avec les premières données enregistrées au taux d’interaction de 50 kHz. Dans les collisions Pb-Pb la séparation des J/psi prompt et non-prompt est importante pour différentier les effets du QGP agissant sur les quarks c de ceux sur le quark b. Dans les collisions p-p, outre le fait de fournir la référence nécessaire pour les études en Pb-Pb, cela permet une comparaison rigoureuse avec les modèles de production de quarkonia. Ce travail d’analyse nécessitera la familiarisation de l’étudiant(e) avec les nouveaux outils de travail de la grille de calcul et les nouveaux codes de simulation, reconstruction et analyse de la collaboration ALICE. En particulier, l’étudiant(e) participera activement au développement du nouveau code de reconstruction et d’analyse online/offline, ainsi que à la mise au point des upgrades du détecteur d’ALICE.

Etude de la nature du neutrino par la détection d'événements double-beta dans l'expérience PandaX-III

SL-DRF-19-0265

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

Service de Physique Nucléaire (DPHN)

Groupe COMPASS

Saclay

Contact :

Damien NEYRET

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

Contact :

Damien NEYRET

CEA - DRF/IRFU/SPhN/COMPASS

01 69 08 75 52

Directeur de thèse :

Damien NEYRET

CEA - DRF/IRFU/SPhN/COMPASS

01 69 08 75 52

Voir aussi : https://arxiv.org/abs/1610.08883

Le neutrino, seule particule de matière de charge électrique nulle, pourrait être une particule de Majorana, c'est-à-dire identique à son antiparticule. Un phénomène naturel nouveau devrait alors apparaître pour quelques rares noyaux atomiques: la double désintégration bêta sans émission de neutrinos. La violation de l'invariance du nombre leptonique qui en résulte, et qui est interdite par le Modèle Standard serait une découverte majeure. C'est l'une des conditions évoquées pour expliquer l'asymétrie matière-antimatière de l'Univers.



L'expérience PandaX-III consiste à mesurer la cinématique d'événements rares de désintégration double-bêta de noyaux de Xénon 136 dans un grand volume de Xénon gazeux à 10 bars. Celle-ci permet de détecter la réaction recherchée, l'émission simultanée de deux électrons sans que des anti-neutrinos n'aient été émis à cette occasion, et de la distinguer des différents bruits de fond (double-bêta avec neutrinos, contamination d'autres noyaux radioactifs, rayons cosmiques). Pour mesurer ces événements rares, le volume de Xénon gazeux formera des chambres à projection temporelle (Time Projection Chamber, TPC), avec un étage de détection constitué de détecteurs gazeux à micro-structure Micromegas de type Microbulk. La TPC devra fonctionner sous une pression pouvant aller jusqu'à 10 bar. Cette expérience prendra place dans le laboratoire souterrain de Jinping (province du Sichuan, Chine), qui possède un des plus faibles taux de rayons cosmiques résiduels au monde. Une excellente résolution en énergie, et une bonne reconstruction de la topologie des événements seront primordiales afin de séparer le signal des différents bruits de fond. Une excellente pureté radiologique du dispositif expérimental est nécessaire afin de limiter l’impact des bruits de fond gamma. Une première chambre TPC de 150 à 200 kg de Xénon sera installée vers le début de 2020, pour arriver à une masse totale de 1 tonne avec 5 chambres TPC dans les années suivantes.



Au sein des équipes de l'IRFU (DPhN et DEDIP, Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique) le doctorant participera aux évaluations des performances des détecteurs Microbulk et de leur électronique de lecture. Il prendra part à la R&D menée pour atteindre une résolution en énergie de 1% à 2,5 MeV sur plusieurs types de détecteurs Micromegas. Ce travail se fera en collaboration avec nos partenaires des universités de Saragosse et de Shanghai. Il inclura le suivi et l'évaluation des performances des différents prototypes et de leur électronique, en particulier en terme de résolutions en énergie et spatiale. En parallèle à ces travaux, l'étudiant participera au développement des algorithmes de reconstruction des données de la TPC dans le but de préparer les travaux d'analyse des premières prises de données de l'expérience. Le but de ces développements est de pouvoir mesurer et caractériser les événements double-bêta (énergie, cinématique, topologie de l'événement) et les reconnaitre des bruits de fond gammas afin de réduire l'impact de ce bruit de fond d'un facteur 100. Ce travail impliquera l'étude des données de chambres de test, ainsi que de simulations Monte Carlo à la fois des dispositifs de test et des TPC finales. L'étudiant participera ensuite à la mise en œuvre de l'analyse des premières données de l'expérience PandaX-III à partir de mi 2020, afin de poser une première limite sur la présence de processus de désintégration double-bêta sans émission de neutrino.

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 DE NEUTRINO STERILE ET MESURE DE LA DIFFUSION COHERENTE DE NEUTRINOS AUPRES DES REACTEURS NUCLEAIRES

SL-DRF-19-0035

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

Service de Physique Nucléaire (DPHN)

Groupe MNM

Saclay

Contact :

David LHUILLIER

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

Contact :

David LHUILLIER

CEA - DSM/IRFU/SPhN/MNM

01 69 08 94 97

Directeur de thèse :

David LHUILLIER

CEA - DSM/IRFU/SPhN/MNM

01 69 08 94 97

Labo : http://irfu.cea.fr/dphn/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=4248

La thématique de la thèse proposée est la physique des neutrinos émis par les réacteurs nucléaires. Une première partie du travail portera sur l’analyse des données de l’expérience STEREO qui a pour but de tester l’existence d’un neutrino stérile de masse autour de 1 eV. L’hypothèse de cette particule fait suite à des travaux de l’Irfu sur la prédiction des spectres neutrinos de réacteurs et sa comparaison avec les données existantes. STEREO est installée auprès du réacteur de recherche de l’ILL à Grenoble. L’analyse menée pendant la thèse cumulera toutes les données jusqu’à la fin d’exploitation du détecteur prévue en 2020 afin d’atteindre la sensibilité finale dans la recherche du neutrino stérile. L’existence d’une telle particule serait une découverte majeure et cette analyse s’inscrira dans le cadre d’un programme expérimental mondial porté par 6 expériences en cours. STEREO fournira également à la communauté un spectre de référence provenant exclusivement des fissions de 235U, permettant un test complémentaire des prédictions de spectres neutrinos.

Ce travail d’analyse sera complété par un travail instrumental lié à la mise en route de l’expérience Nu-Cleus. L’objectif est la détection de la diffusion cohérente des neutrinos auprès de la centrale nucléaire de Chooz, à l’aide d’un bolomètre avec un seuil de détection extrêmement bas (~10 eV) pour détecter les faibles reculs nucléaires induits par les neutrinos. La validation de cette technologie ouvrirait des nombreuses perspectives: tests du modèle standard et recherche de nouvelle physique à basse énergie, rayons de neutrons des noyaux, application à la surveillance des réacteurs. Le travail de thèse s’inscrira dans l’effort de déploiement sur site et en particulier l’étude des blindages pour la réjection des bruits de fond liés au rayonnement cosmique, principale limitation de la mesure. Ce travail offre une formation très complète de physicien expérimentateur ainsi qu’une approche très transverse de plusieurs domaines de physique : nucléaire, particule, cosmologie.

Étude et construction de détecteurs Micromegas pour l'expérience sPHENIX au Brookhaven National Laboratory et mesure de la production de Bottomonium dans des collisions d'ions lourds relativistes

SL-DRF-19-0278

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

Service de Physique Nucléaire (DPHN)

Groupe ALICE

Saclay

Contact :

Hugo PEREIRA DA COSTA

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

Contact :

Hugo PEREIRA DA COSTA

CEA - DRF/IRFU/SPhN/ALICE

+33 169087308

Directeur de thèse :

Hugo PEREIRA DA COSTA

CEA - DRF/IRFU/SPhN/ALICE

+33 169087308

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=500

Le sujet de thèse de doctorat proposé consiste en l'étude et la construction de détecteurs Micromegas pour équiper la Chambre à Projection Temporelle (TPC) de sPHENIX. Les détecteurs doivent fournir une résolution spatiale suffisante pour permettre la mesure précise de l'impulsion des particules chargées. Par ailleurs ils doivent minimiser la présence de charges électriques positives (ions) dans le volume de la TPC. Ces charges peuvent en effet susciter des distorsions locales du champ électrique dans la TPC et détériorer sa capacité à reconstruire la trajectoire des particules.



Les détecteurs Micromegas sont des détecteurs gazeux à plaques parallèles constituées de deux étages: (1) un étage de dérive coïncidant avec le volume de la TPC et (2) un étage d'amplification situé entre le circuit imprimé qui collecte le signal et une micro-grille. Le champ électrique présent dans l'espace d'amplification est très élevé, donnant lieu à un phénomène d'avalanche lorsqu'y pénètre un électron. Les ions résultant de cette avalanche sont ceux responsables de possibles distorsions du champ électrique dans la TPC. Le travail de l'étudiant(e) consistera à étudier la possibilité d'ajouter une ou plusieurs micro-grilles au dessus de la micro-grille d'amplification de façon à capturer ces ions avant qu'ils n'entrent dans l'espace de dérive. Cela nécessitera de construire et caractériser plusieurs détecteurs prototypes de taille réduite, d'en simuler les propriétés précises, puis de tester ces détecteurs {\em in situ}.



En ce qui concerne une analyse de données expérimentales, l'étudiant(e) se concentrera sur l'étude de la production de bottomonium dans des collisions d'ions lourds, basée sur les données collectées par ALICE pendant le Run-2 du LHC (2015-2018). Les analyses possibles incluent: l'étude de la production de bottomonium en fonction de la multiplicité des évènements dans des collisions proton-proton, proton-plomb et plomb-plomb; la mesure du facteur de modification nucléaire ou encore la mesure du flot elliptique. De telles études sont complémentaires de celles qui seront réalisées dans l'avenir sur sPhenix.

Nano Hétéro-structures pour l’amélioration des performances de supraconducteurs sous champs intenses.

SL-DRF-19-0425

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Département des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme (DACM)

Laboratoire d’Intégration et Développement des Cavités et Cryomodules (LIDC2)

Saclay

Contact :

thomas proslier

Claire ANTOINE

Date souhaitée pour le début de la thèse :

Contact :

thomas proslier

CEA - DRF/IRFU/SACM/LIDC2

0169088711

Directeur de thèse :

Claire ANTOINE

CEA - DSM/IRFU/SACM/LIDC2

+33 169 08 73 28

Labo : http://irfu.cea.fr/dacm/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=3301

Depuis leurs découvertes au début du XXe siècle, les propriétés uniques de la supraconductivité ont été utilisées dans de multiples d'applications ; allant des électroaimants puissants utilisés dans les IRM et les réacteurs à fusion aux circuits électroniques rapides de dernière génération (Quantum-bits) et aux accélérateurs de particules.

Les limitations de performances des supraconducteurs proviennent de leurs interactions avec les champs électromagnétiques externes. Nous proposons une approche originale pour atténuer la dissipation supraconductrice: une nouvelle hétéro-structure supraconductrice nanométrique permettant d’écranter le champ électromagnétique externe et de limiter la pénétration de vortex. La synthèse de ces nano-multicouches par Atomic Layer Deposition sera optimisée et adaptée pour améliorer de manière significative les performances d'une application à base de supraconducteur: les résonateurs supraconducteurs radiofréquence (SRF).

Le doctorant sera un élément actif important de l’approche synergique entre la synthèse, la conception, la caractérisation et les tests de performance des hétéro-structures les plus efficaces basées sur les alliages de nitrure supraconducteurs NbN, NbTiN, MoN et les matériaux isolants AlN, MgO, SrTiO3 afin de fournir une percée technologique majeur vers des performances supraconductrices sans précédent pour ces résonateurs.

Ce programme de trois ans se concentrera sur trois axes de recherche ou lots de travaux:

1- Explorer des voies de synthèse pour déposer des hétéro-structures innovantes. Années 1-2.

2- Adapter les propriétés de l'hétéro-structure pour optimiser les performances du supraconducteur. Années 2-3

3- Tester l'hétéro-structure optimisée sur les résonateurs supraconducteurs en Niobium. Année 3.

Corrélations de courte portée dans les noyaux exotiques

SL-DRF-19-0311

Domaine de recherche : Physique nucléaire
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique Nucléaire (DPHN)

Groupe Structure Noyau

Saclay

Contact :

Anna CORSI

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

Contact :

Anna CORSI

CEA - DRF/IRFU/SPhN/Structure Noyau

01 69 08 7554

Directeur de thèse :

Anna CORSI

CEA - DRF/IRFU/SPhN/Structure Noyau

01 69 08 7554

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/acorsi/

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=487

Le noyau atomique est un système quantique de fermions corrélés, les protons et les neutrons. Ceux-ci peuvent s’apparier à très courte distance (~1 fm, bien inférieure à leur distance moyenne), où l’interaction nucléaire devient fortement répulsive et est moins bien connue. Ces configurations, dites corrélations de courte portée, nous donnent une occasion unique pour étudier ce régime en laboratoire, d’autant plus qu’il est particulièrement critique car à la transition entre une description du noyau en termes de protons/neutrons et de quarks/gluons. Des mesures pour caractériser les corrélations de courte portée ont été effectuées dans les noyaux stables, mais la technique de mesure utilisée actuellement ne permet pas d’étudier les noyaux instables, où le déséquilibre entre neutrons et protons peut affecter ces corrélations. Une nouvelle technique qui consiste à envoyer le noyau à étudier sur une cible de proton est envisagé.

Le/la candidat(e) analysera des données issues de la première expérience de test avec des faisceaux stables, qui a été effectuée à l’institut JINR de Dubna (Russie) au printemps 2018. Il/Elle sera ensuite fortement impliqué(e) dans la préparation et la réalisation du programme porté par le groupe avec des faisceaux radioactifs produits par l'accélérateur de GSI (Allemagne) et une cible d’hydrogène liquide que nous développons actuellement grâce à un financement de l’ANR.

Parallèlement au programme expérimental, il/elle effectuera des simulations pour définir un nouveau système de détection basé sur le « tracking » des particules chargées dans un champ magnétique. Ce système permettra d’augmenter l’acceptance pour l’identification et la mesure du moment de ces particules lors des expériences futures à GSI(Allemagne).

L’analyse des données et les simulations seront effectuées à l’aide des logiciels ROOT et Geant4, respectivement, basés sur le langage de programmation C++ et employés de routine en physique nucléaire et subnucléaire. La thèse se déroulera au CEA Saclay en collaboration étroite avec MIT (USA) et TU Darmstadt (Allemagne). Un séjour de longue durée à Darmstadt est envisagé.

Etude de l'evolution de la forme quantique des noyaux exotiques

SL-DRF-19-0068

Domaine de recherche : Physique nucléaire
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique Nucléaire (DPHN)

Groupe Structure Noyau

Saclay

Contact :

Wolfram KORTEN

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

Contact :

Wolfram KORTEN

CEA - DRF/IRFU/DPhN/LENA

+33169084272

Directeur de thèse :

Wolfram KORTEN

CEA - DRF/IRFU/DPhN/LENA

+33169084272

Page perso : https://www.researchgate.net/profile/Wolfram_Korten

Labo : http://irfu.cea.fr/Sphn/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_sstheme.php?id_ast=293

Voir aussi : https://www.phy.anl.gov/atlas/

La forme d’un noyau, c.à.d. la déviation par rapport à une forme sphérique de la distribution en masse, est une de ses propriétés fondamentales, gouvernée à la fois par des effets macroscopiques et microscopiques, tels que la structure en couche du noyau. L’étude de la forme des noyaux exotiques, c.à.d. très loin de la vallée de stabilité, permet de tester finement les différents modèles théoriques qui ont été développés pour les noyaux stables. L’objectif de cette thèse est l’étude de l’évolution de la forme des noyaux riches en neutrons autour de la masse A~100 par excitation Coulombienne. Ces noyaux se situent loin des couches fermées et se déforment pour minimiser leur énergie potentielle. Contrairement à la grande majorité des noyaux non-sphériques qui prennent une forme d’ellipsoïde allongé, ces noyaux sont prédits comme très changeants pouvant aller d’allongés (prolate) à aplatis (oblate) en passant par des formes triaxiales. Mais l’information sur leur ‘‘collectivité’’ mesurée par la probabilité de transition vers des niveaux excités reste encore très limitée et la connaissance de leur forme est presque non-existante.

Pour le projet de thèse, une expérience d'excitation Coulombienne visant le noyau 100Zr est prévu. Cet isotope est positionné à N=60, à la charnière où la coexistence de forme se développe. La méthode d'excitation Coulombienne permet d'extraire la probabilité d'excitation pour chaque état excité et ensuite d'extraire un jeu d'éléments de matrice électromagnétiques et surtout leur moment quadripolaire statique qui détermine la forme du noyau. Le faisceau radioactif est produit par l'installation ATLAS-CARIBU à l'Argonne National Laboratory (USA). CARIBU est la seule installation au monde qui peut actuellement délivrer ce type de faisceau d'un élément réfractaire. L'expérience est déjà acceptée par le comité local d'expériences avec une haute priorité et nous attendons sa réalisation fin 2019. Le/la doctorant(e) participera activement à la préparation de l'expérience. Il serait donc souhaitable qu'il/elle commencera son travail déjà lors d'une stage M2. Il/elle sera responsable pour l'analyse des données et de la publication des résultats scientifiques.

Au cours de sa thèse, l’étudiant(e) sera amené(e) participer à d'autres expériences du groupe et à présenter ses résultats au cours de colloques et de conférences internationales. Cette thèse s’inscrit dans un travail collaboratif avec des partenaires français et internationaux. La préparation et la réalisation des expériences nécessiteront des missions, notamment à l'ANL, États-Unis, où un séjour de 4-6 semaines pourra s'avérer nécessaire.

Hypernoyaux et rayonnement cosmique. Extension d’un modèle de réaction nucléaire pour un traitement cohérent.

SL-DRF-19-0334

Domaine de recherche : Physique nucléaire
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique Nucléaire (DPHN)

Groupe Spallation

Saclay

Contact :

Jean-Christophe DAVID

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

Contact :

Jean-Christophe DAVID

CEA - DRF/IRFU/SPhN/Spallation

0169087277

Directeur de thèse :

Jean-Christophe DAVID

CEA - DRF/IRFU/SPhN/Spallation

0169087277

Page perso : http://irfu.cea.fr/dphn/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=2105

Labo : http://irfu.cea.fr/dphn/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_sstheme.php?id_ast=186&id_unit=7

Les réactions nucléaires mettant en jeu une particule légère et un noyau avec des énergies de l’ordre du GeV se rencontrent dans divers domaines et sont à l’origine de nombreuses études. On peut citer la transmutation des déchets nucléaires, l’hadronthérapie, les sources de neutrons, les sources d’ions radioactifs, les problématiques de radioprotection (accélérateurs/espace), l’origine et le devenir de corps comme les météorites. Ces études nécessitent des codes de calcul pour simuler ces réactions. C’est un de ces codes que nous développons à l’Irfu/DPhN.



Notre code, INCL (IntraNuclear Cascade Liège), est développé depuis une vingtaine d’années avec l’université de Liège. Il est reconnu pour ses performances et a été implanté dans des codes de transport (Geant4, Phits, MCNPX). Jusqu’en 2011 son domaine d’utilisation s’étendait de ~100 MeV à 2-3 GeV. Il a été étendu jusqu’à 10-20 GeV par l’ajout de la production multiple de pions. Cette extension vers de plus hautes énergies a récemment été améliorée par l’ouverture au secteur étrange (K, Lambda, Sigma). Ceci avait non seulement pour but de raffiner la description des réactions au-delà de 2-3 GeV, donc de mieux couvrir le spectre du rayonnement cosmique (piqué vers le GeV), mais aussi de modéliser la production d’hypernoyaux, dont les études connaissent un regain d’intérêt auprès de différentes installations (FAIR, JPARC, JLab).



Nous voulons encore élargir le champ d’utilisation du code. INCL est aujourd’hui capable de traiter les nucléons, pions et Kaons comme projectiles, aussi nous prévoyons, et c’est le sujet de cette thèse, d’ajouter les sondes électromagnétiques et les antiprotons. La sonde électromagnétique permettra dans le cas des hypernoyaux, avec l’électron, de nous confronter aux mesures de JLab, et, en ce qui concerne le rayonnement cosmique, d’avoir un outil capable d’étudier les effets des muons pénétrant plus en profondeur la structure des planètes que les neutrons. Les interactions des antiprotons avec les corps tels que les météorites devraient être intéressants à étudier. Avoir les antiprotons sera également utile pour la production d’hypernoyaux, car de telles expériences sont prévues à FAIR. Des données ayant déjà été prises à LEAR au Cern avec des antiprotons, de nouveaux tests pourront être faits rapidement. Enfin, la prise en compte de la production de la particule Ksi pourra aussi être intéressante, car des hypernoyaux S=-2 (doublement étrange) seront produits par son biais à FAIR et JPARC.



Le travail de thèse sera donc l’implantation de ces nouvelles particules dans le code INCL. Une compréhension du mécanisme d’interaction de ces nouveaux projectiles avec les nucléons et le noyau sera un préalable à la mise en œuvre dans le code, suivie d’une série de tests pour définir la fiabilité du modèle. Une solide formation en physique hadronique, physique nucléaire et en C++ est donc requise. La nouvelle version d’INCL sera alors mise à disposition dans le code Geant4. D’ailleurs, l’étudiant(e) sera membre de la collaboration Geant4. Un autre interlocuteur privilégié sera Ingo Leya, de l’Université de Berne, spécialiste des interactions du rayonnement cosmique avec les corps interstellaires.

 

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