Les sujets de thèses

Dernière mise à jour : 20-11-2017

4 sujets IRFU

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• Astroparticules

 

Astrophysique multi-messager avec H.E.S.S./CTA et HAWC

SL-DRF-18-0256

Domaine de recherche : Astroparticules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe HESS 2

Saclay

Contact :

Fabian Schussler

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2017

Contact :

Fabian Schussler

CEA - DRF/IRFU/SPP/HESS 2

+33169083020

Directeur de thèse :

Fabian Schussler

CEA - DRF/IRFU/SPP/HESS 2

+33169083020

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/fabian.schussler/index.html

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

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

Bolomètres innovants pour la physique du neutrino

SL-DRF-18-0329

Domaine de recherche : Astroparticules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Edelweiss

Saclay

Contact :

Claudia Nones

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

Contact :

Claudia Nones

CEA - DRF/IRFU/SPP/Edelweiss

0169083520

Directeur de thèse :

Claudia Nones

CEA - DRF/IRFU/SPP/Edelweiss

0169083520

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/claudia.nones/

Labo : http://irfu.cea.fr/Spp/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=3900

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

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

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

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

Recherche de la double désintégration beta sans émission de neutrinos avec des bolomètres scintillants

SL-DRF-18-0328

Domaine de recherche : Astroparticules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Edelweiss

Saclay

Contact :

Claudia Nones

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

Contact :

Claudia Nones

CEA - DRF/IRFU/SPP/Edelweiss

0169083520

Directeur de thèse :

Claudia Nones

CEA - DRF/IRFU/SPP/Edelweiss

0169083520

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/claudia.nones/

Labo : http://irfu.cea.fr/Spp/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=3900

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



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



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



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

Recherche de trous noirs primordiaux avec le réseau de télescope Cherenkov H.E.S.S.

SL-DRF-18-0261

Domaine de recherche : Astroparticules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe HESS 2

Saclay

Contact :

Jean-François Glicenstein

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

Contact :

Jean-François Glicenstein

CEA - DRF/IRFU/SPP/HESS 2

0169089814

Directeur de thèse :

Jean-François Glicenstein

CEA - DRF/IRFU/SPP/HESS 2

0169089814

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