Les sujets de thèses

6 sujets IRFU

Dernière mise à jour : 14-11-2018


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• Physique des 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.

 

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