Les sujets de thèses

16 sujets IRFU

Dernière mise à jour : 16-12-2017


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• Physique des particules

 

Analyses de nouvelles observables pour l’étude du quark top et sa production en association avec le boson de Higgs dans ATLAS

SL-DRF-18-0224

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

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Atlas

Saclay

Contact :

Frédéric DELIOT

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

Contact :

Frédéric DELIOT

CEA - DRF/IRFU/SPP

0169086628

Directeur de thèse :

Frédéric DELIOT

CEA - DRF/IRFU/SPP

0169086628

Le but de ce projet de thèse est l’étude des propriétés du quark top produit par paires et en association avec le boson de Higgs en utilisant des variables angulaires et des asymétries innovantes dans l’expérience ATLAS au CERN. The quark top étant la particule élémentaire la plus lourde et son couplage avec le boson de Higgs étant le plus grand, son étude est de première importance pour la recherche de nouveaux phénomènes au delà du modèle standard de la physique des particules. La première partie de la thèse sera consacrée à l’étude détaillée de la structure du vertex Wtb en utilisant de nouvelles observables liées au spin du boson W et de nouvelles asymétries. Cette approche devrait permettre d’augmenter la sensibilité aux couplages anormaux extraite des mesures expérimentales.

La deuxième partie du travail de thèse se focalisera sur l’étude de la nature CP du couplage du quark top avec le boson de Higgs dans les événements ttH, en utilisant les distributions angulaires des produits de désintégrations, en suivant la meme stratégie que dans le cas de la paire top-antitop. Ces deux études seront effectuées en collaboration avec des théoriciens qui développent les calculs théoriques pour prédire les distributions angulaires et asymétries dans l’état final ttH en présence de nouvelle physique.

Anomalie des neutrinos réacteur: analyse de l’expérience Stereo

SL-DRF-18-0231

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

Service de Physique Nucléaire (SPhN)

Groupe MNM

Saclay

Contact :

Alain Letourneau

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

Contact :

Alain Letourneau

CEA - DSM/IRFU/SPhN/LEARN

33 (0)1 69 08 76 01

Directeur de thèse :

Alain Letourneau

CEA - DSM/IRFU/SPhN/LEARN

33 (0)1 69 08 76 01

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

Voir aussi : http://irfu.cea.fr/Sphn/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_sstheme.php?id_ast=31

L’expérience Stereo, installée auprès du réacteur à haut flux de l’ILL (Grenoble), a pour but de caractériser le flux d’antineutrinos émis par le réacteur afin de déceler la présence d’un état stérile du neutrino. S’il existe, cet état, non prédit par le modèle standard, pourrait expliquer un certain nombre d’anomalies observées dans certaines expériences neutrino - la dernière en date, l’anomalie des neutrinos réacteur a été mise en évidence par notre équipe de l’Irfu il y a quelques années.

Le détecteur Stereo est en place depuis fin 2016 et une première prise de données a permis de valider son fonctionnement ainsi que de déterminer les niveaux de bruit de fond. Cependant la statistique accumulée n’est pas suffisante et une nouvelle campagne de mesure est prévue en 2018 et 2019.

Le travail de thèse consistera à participer aux campagnes de mesure et à analyser les données afin d’extraire le signal neutrino du bruit de fond et de l’étudier afin d’apporter une réponse quant à l’existence d’un état stérile ou non. Ce travail pourra être complété, selon les résultats obtenus par: le développement d’une analyse globale sur l’ensemble des expériences neutrinos pour vérifier l’hypothèse stérile ; un travail de modélisation sur l’interaction faible dans les noyaux et en particulier sur la décroissance béta des transitions interdites pour expliquer l’anomalie des neutrinos réacteur sans présence de neutrino stérile; une étude de R&D pour définir une nouvelle expérience afin d’augmenter la sensibilité du détecteur et d’améliorer la réjection des bruits de fond.

Le travail de thèse se fera en collaboration avec d’autres instituts : LAPP-Annecy, LPSC-Grenoble, ILL-Grenoble, MPIK-Heidelberg, et en interne CEA avec les trois directions (DEN, DRT et DAM) dans le cadre du projet transverse NENuFAR sur la modélisation des spectres neutrinos de réacteur. Il couvre un large éventail de physique (particule, nucléaire, neutronique, physique des réacteurs, physique de la scintillation …) ce qui permettra au candidat d’acquérir un spectre large de compétences en simulation, analyse et instrumentation.

Le travail de thèse aboutira à une ou plusieurs publications sur le travail et les résultats de l’expérience.

Couplage accrétion-éjection dans les microquasars

SL-DRF-18-0658

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

Service d'Astrophysique (SAp)

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

Saclay

Contact :

Jérôme RODRIGUEZ

Stéphane CORBEL

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2018

Contact :

Jérôme RODRIGUEZ

CEA - DRF/IRFU/SAp/LEPCHE

01 69 08 98 08

Directeur de thèse :

Stéphane CORBEL

Université Paris 7 - DRF/IRFU/SAP/LEPCHE

01 69 08 45 62

Les systèmes binaires X à jet (nommés microquasars) représentent d’excellents laboratoires pour tester les

phénomènes physiques dans des environnements extrêmes. Ils sont composés d’une étoile compagnon

«normale» et d’un astre compact pouvant être un trou noir ou une étoile à neutrons.



Le but de cette thèse sera d'étudier les activités de trous noirs binaires récemment découverts dans notre

Galaxie. Notre groupe a été aux avant-plans de campagnes d'observations multi-longueurs d'onde

(notamment radio, X et gamma), et l'objectif principal de la thèse sera donc d'étudier les connexions possibles

existant entre ces différents domaines (et donc les processus physiques associés). Notamment nous nous

focaliserons sur les corrélations éventuelles entre les propriétés des jets relativistes (puissance des jets) avec

celles du flot d’accrétion interne (émission thermique et non thermique) et la modélisation de ces objets.

Détermination l'angle de mélange électrofaible avec les données à 13 TEV enregistrées par ATLAS au LHC

SL-DRF-18-0319

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

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Atlas

Saclay

Contact :

Nathalie Besson

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

Contact :

Nathalie Besson

CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas

0169088274

Directeur de thèse :

Nathalie Besson

CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas

0169088274

L'existence de toutes les particules prédites par le Modèle Standard (MS) de la physique des particules est établie par l'expérience. Des mesures fines des masses et des couplages des particules les plus massives, le W, le Z, le boson de Higgs et le quark top,permettent de tester plus avant le MS, en vérifiant que les valeurs de ces paramètres suivent les relations prédites par la théorie. Une meilleure précision sur la mesure de l'angle de mélange électrofaible bénéficierait fortement à ces tests.

Avec le LHC comme seul grand accélérateur en fonctionnement, les futures mesures de ces paramètres électrofaibles seront fortement affectées par l'incertitude relative à la structure interne des protons qui en constituent les faisceaux. Ces incertitudes dominent déjà les mesures de l'angle de mélange faites aux collisionneurs hadroniques. Cette source commune d'incertitude génère également de fortes corrélations entre les mesures des différents paramètres. Non traitées correctement, ces incertitudes et corrélations peuvent compromettre la validité des tests de précision à venir.

La solution proposée ici consiste à organiser une mesure simultanée de l'angle de mélange électrofaible et des densités partoniques du proton, en exploitant les distributions angulaires dans les désintégrations leptoniques des bosons Z. Cette mesure inclura une analyse de l'alignement du détecteur interne d'Atlas; une mesure de l'asymétrie de désintégration, en fonction de la masse et de la rapidité du boson Z; l'extraction de l'angle de mélange avec les données enregistrées par Atlas a 13 TeV et en utilisant cette mesure conjointement avec les résultats d’Atlas sur la masse du boson W, le Drell-Yann à haute masse et le boson de Higgs, une interprétation globale permettant de contraindre les modèles de nouvelle physique.

Développement de Picosec Micromegas pour les environnements à haut flux de particules

SL-DRF-18-0579

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

Service d'Electronique, des Détecteurs et d'Informatique (SEDI)

DÉtecteurs: PHYsique et Simulation

Saclay

Contact :

Thomas PAPAEVANGELOU

Esther FERRER RIBAS

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-03-2018

Contact :

Thomas PAPAEVANGELOU

CEA - DRF/IRFU/SEDI/DEPHYS

01 69 08 2648

Directeur de thèse :

Esther FERRER RIBAS

CEA - DRF/IRFU/SEDI/DEPHYS

0169083852

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/esther.ferrer-ribas/

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_service.php?id_unit=5

La réponse temporelle requise dans des expériences de physique sera de l’ordre de plusieurs dizaines de

picosecondes pour des Particules au minimum d’Ionisantion (MIP) dans les conditions de l’exploitation future

du LHC à haute luminosité (HL-LHC). Dans certains cas, la haute précision temporelle doit coexister avec des

taux élevés et des conditions de forte dose. De nombreuses applications en dehors de la physique des

hautes énergies profiteraient également de cette précision, comme l’imagerie médicale.

Les Micro-Pattern Gaseous Detectors (MPGD) sont de détecteurs gazeux qui conviennent aux instruments

de grandes surfaces fonctionnant sur des environnements de haut flux de particules, mais leurs performances

temporelles intrinsèques sont limitées à quelques nanosecondes pour MIP. Afin d’atteindre l’amélioration

souhaitée de ~2 ordres de grandeur, nous avons couplé un Micromegas avec un radiateur Cerenkov (crystal

MgF2) équipé de CsI, et nous avons réduit l’écart de l’espace de dérive du détecteur à 200 microns. Les

premiers tests effectués avec un prototype à anode unique ont montré des résultats très prometteurs. La

problématique principale pour cette solution est la fragilité de la photocathode sous l’effet des rayonnements.

Nous avons l’intention d’étudier des solutions alternatives au CsI basées sur les revêtements minces

nanocristallin diamant comme photocathode, ou, basées sur des couches plus épaisses comme émetteur

secondaire (rendement de 2-3 photoélectrons par MIP requis).

Dans la cadre de la thèse proposée, le candidat retenu : a) travaillera sur le développement d’un prototype de

canaux multiples (quelques dizaines de bandes ou de pads) ; b) participera à l’élaboration des photocathodes

basées sur du diamant, avec suffisamment d’efficacité de production des photoélectrons et étudiera les

émetteurs secondaires en diamant comme alternative ; c) développera une plateforme permettant de mesurer

l’efficacité quantique de la photocathode et étudiera la performance temporelle du prototype au laser UV

femto-seconde à l’IRAMIS et au CERN avec un faisceau de muons.

Développement d’un nouvel instrument de tomographie muonique pour les applications sociétales

SL-DRF-18-0288

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

Service d'Electronique, des Détecteurs et d'Informatique (SEDI)

DÉtecteurs: PHYsique et Simulation

Saclay

Contact :

David Attié

Sébastien Procureur

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

Contact :

David Attié

CEA - DRF/IRFU/SEDI/DEPHYS

(+33)(0)1 69 08 11 14

Directeur de thèse :

Sébastien Procureur

CEA - DRF/IRFU/SPhN/CLAS

(+33)(0)1 69 08 39 22

Voir aussi : https://www.nature.com/articles/nature24647

La tomographie muonique, ou muographie, consiste à utiliser les muons cosmiques pour imager des objets en profondeur. Ces muons très énergétiques, produits dans les gerbes de particules issues de l'interaction entre le rayonnement cosmique et l'atmosphère, sont en effet capables de traverser plusieurs centaines de mètres de roche avant d’être absorbés. Les progrès considérables réalisés ces dernières années sur les détecteurs de particules (résolution spatiale, robustesse, électronique associée, etc.) ont récemment suscité un vif intérêt pour la muographie dans de très nombreuses disciplines.



Un premier prototype de télescope à muons a été réalisé et testé en 2015 en utilisant des détecteurs gazeux à micro-pistes (Micromegas) et un système breveté de multiplexage. L'année suivante, trois télescopes à muons ont été déployés autour de la Pyramide de Khéops en Egypte, démontrant leur robustesse dans des conditions extrêmes (température, poussière, etc.). Leur détection du "ScanPyramids Big Void" en combinaison des instruments Japonais situés dans la pyramide constitue une première mondiale pour des télescopes à l'extérieur.



De ces développements successifs sont apparus de forts intérêts de la part d'industriels et de scientifiques pour cette technologie. Mais à l’instar des télescopes optiques, les instruments développés actuellement sont assez directionnels et relativement peu compacts. Une alternative élégante consiste à utiliser une chambre à projection temporelle (TPC) qui permet de reconstruire les trajectoires de manière plus précise et presque isotrope.



L’objectif de cette thèse est donc de concevoir, réaliser, et tester en conditions réelles un tel instrument. L’un des enjeux majeurs concerne l’autonomie de la TPC, en particulier sa consommation en gaz, mais aussi sa stabilité de fonctionnement en extérieur. Une TPC scellée ou semi-scellée avec un système de purification du gaz, transportable, et résistante aux variations environnementales constituerait une avancée majeure à la fois en muographie mais plus généralement pour les détecteurs gazeux.



L’étudiant(e) sera ainsi amené(e) à couvrir un large spectre d’activités (conception, intégration, caractérisation de détecteurs, électronique, analyse de données, simulation, etc.) lui permettant d’acquérir des compétences dans de multiples domaines de la physique expérimentale. La taille réduite de l’équipe (environ 6 personnes) assurera également à l’étudiant(e) une grande visibilité dans son travail.

Etude de la Diffusion Compton Virtuelle à COMPASS au CERN

SL-DRF-18-0282

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

Service de Physique Nucléaire (SPhN)

Groupe COMPASS

Saclay

Contact :

Nicole d'Hose

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

Contact :

Nicole d'Hose

CEA - DRF/IRFU/SPhN

01 69 08 72 72

Directeur de thèse :

Nicole d'Hose

CEA - DRF/IRFU/SPhN

01 69 08 72 72

Labo : http://irfu.cea.fr/Sphn/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_sstheme.php?id_ast=32

Voir aussi : http://wwwcompass.cern.ch/compass/gpd/index.html

Depuis ces dernières années la physique hadronique s’est orientée vers l’étude des distributions de partons généralisées (GPDs) qui décrivent de manière complète la structure interne du nucléon. Celles-ci combinent à la fois les informations des facteurs de forme qui donnent les distributions spatiales de densité de charge et de magnétisation mesurées en diffusion élastique et les informations des distributions de quantité de mouvement des partons (quarks et gluons) obtenues en diffusion profondément inélastique. Les GPDs donnent les corrélations entre les distributions de quantité de mouvement dans la direction longitudinale et les distributions des positions dans le plan transverse (à la collision) des constituants du nucléon. La théorie des GPDs a été développée à la fin des années 1990 et dès le début les physiciens français se sont impliqués au niveau théorique et expérimental.

La diffusion Compton virtuelle (DVCS) est un moyen idéal pour accéder aux GPDs. Des expériences DVCS complémentaires ont été initiées et menées par les physiciens français à JLab aux USA avec des électrons de 12 GeV, pour explorer la région des quarks de valence et à COMPASS au CERN avec des muons de 160 GeV pour explorer les quarks de la mer et les gluons.

Le sujet proposé concerne l’expérience auprès de la Collaboration COMPASS au CERN. Deux années de prises de données ont été réalisées en 2016 et 2017 et le sujet de cette thèse correspond à la deuxième étape ou étape finale des analyses DVCS. La réaction DVCS est lepton + proton -> lepton + proton + photon où le lepton en diffusant sur le proton échange un photon virtuel et un seul photon réel est créé dans l’état final. A COMPASS les faisceaux de muons positifs et négatifs du SPS du CERN sont utilisés et permettent d’accéder à la petite différence des sections efficaces DVCS pour les deux états de charge mu+ et mu-. Ceci nous donne des informations très importantes sur les amplitudes DVCS, sur les GPDs et sur le tenseur énergie impulsion pour mieux comprendre le confinement des quarks et gluons à l’intérieur du nucléon.

Etude des distorsions dues à la charge d’espace et au retour d’ions pour l'optimisation d'une TPC en vue de la mesure des propriétés du boson de Higgs auprès des futures expériences e+/e-

SL-DRF-18-0608

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

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe ILC

Saclay

Contact :

Boris TUCHMING

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

Contact :

Boris TUCHMING

CEA - DRF/IRFU/SPP/ILC

01 69 08 97 78

Directeur de thèse :

Boris TUCHMING

CEA - DRF/IRFU/SPP/ILC

01 69 08 97 78

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/boris.tuchming/

Voir aussi : http://irfu.cea.fr/Phocea/file.php?class=pisp&reload=1490104150&file=boris.tuchming/files/123/canavas_presentation_FCC_TPC_v1.pdf

Les prochains grands collisionneurs e+e- (linéaire ou circulaire) auront pour but l'étude fine des propriétés du boson de Higgs et la recherche de signatures de nouvelle physique. Pour tous ces sujets, le système de détection des particules chargés (trajectographe) doivent faire preuve d'une très grande stabilité et d'une très grande précision au niveau de 10^-5 GeV-1. Les chambres à projection temporelle (TPC),sont un bon candidat de trajectographe, à la fois peu dense, ce qui est favorable à la calorimétrie, et suffisamment précise. Cependant, faire fonctionner une TPC dans un environnement à grand flux de particules nécessite des précautions, car les effets des ionisations primaires et le retour des ions secondaires dans l'espace de dérive créent des distorsions sur la mesure des traces.



Le travail de thèse aura pour thème l'optimisation du trajectographe d'un futur détecteur sur collisionneur e+e-.

Il s'agira d'une part d'étudier les effets de charge d'espace dans une TPC et de les comparer aux simulations.

On exploitera un banc test comprenant une mini-TPC cylindrique (d=50cm, h=60cm) instrumentée par des pads micromegas, et d'un dispositif d'éclairage UV créant la charge d'espace. Il s'agira de faire fonctionner le dispositif, de mettre en place la chaine d'acquisition de données, d'analyser les données, de reconstruire les traces de muons cosmiques et d'étudier les performances de reconstruction en fonction de la charge d'espace. Ces résultats seront comparés aux simulations.



Ce travail aboutira naturellement à l’optimisation du concept micromegas permettant de réduire au maximum le retour des ions et à l'optimisation du dessin du futur trajectographe en vue des analyses de physique type, telles que la mesure de précision de la masse du Higgs, de la masse du W, ou la mesure du couplage de Yukawa aux muons.

Etude et construction de détecteurs Micromegas pour l'expérience sPHENIX au Brookhaven National Laboratory et simulations de la reconstruction des jets dans la chambre à projection temporelle de sPHENIX

SL-DRF-18-0321

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

Service de Physique Nucléaire (SPhN)

Groupe ALICE

Saclay

Contact :

Hugo PEREIRA DA COSTA

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2018

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

La chromodynamique quantique (QCD) est la théorie des quarks et des gluons. Des calculs de QCD sur réseau prédisent qu'au delà d'une température critique Tc a lieu une transition de phase entre la matière nucléaire normale, pour laquelle les quarks et les gluons sont confinés au sein des hadrons, et un plasma de quarks et de gluons (QGP) au sein duquel ils sont déconfinés. Dans les collisions de noyaux or-or réalisées sur le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du Brookhaven National Laboratory (BNL) aux Etats-Unis, un QGP est formé dont la température caractéristique est de l'ordre de 1 ou 2 Tc. Dans ce régime, les quarks et les gluons, bien que déconfinés, continuent à interagir fortement, ce qui a conduit à définir le terme sQGP (s=strong), dont les propriétés sont celles d'un fluide parfait.



L'expérience sPHENIX est construite à RHIC comme remplacement de l'expérience PHENIX maintenant terminée. Son but est d'établir les caractéristiques du sQGP dans un régime complémentaire de celui étudié au LHC par les expériences ALICE, ATLAS et CMS. Le dispositif expérimental combine une reconstruction et identification précise des particules chargées au moyen d'une chambre à projection temporelle (TPC) nouvelle génération avec une calorimétrie à la fois électromagnétique et hadronique permettant la reconstruction complète des jets. Le design et la construction de sPHENIX a débuté en 2017. La première prise de données est prévue pour 2023. Entre temps, de nombreux défis aussi bien en terme de détecteurs que de software doivent être surmontés pour que l'expérience puisse atteindre les performances attendues.



Le sujet de thèse de doctorat proposé consiste en l'étude et la construction de détecteurs Micromegas pour équiper la TPC de sPHENIX. Les détecteurs doivent fournir une résolution spatiale suffisantes pour permettre la mesure de l'impulsion des particules chargées produites dans les collisions Or-Or avec précision. Par ailleurs ils doivent être conçus de façon

à minimiser la présence de charges électriques positives (ions) dans le volume de la TPC. Ces charges, lorsque trop nombreuses et compte tenu de la fréquence des collisions prévues à RHIC, 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 constitués 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 responsable de la collecte du signal et une micro-grille. Le champ électrique présent dans l'espace d'amplification est très élevé, de

façon à ce qu'ai lieu un phénomène d'avalanche lorsqu'y pénètre un électron. Les ions chargés positifs résultant de cette avalanche sont ceux responsables de possibles distorsions du champ électrique dans la TPC. Le travail de l'étudiant(e) consistera notamment 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, et d'en simuler les propriétés précises en matière de distribution spatiale des charges par exemple.



De plus, l'étudiant(e) effectuera également un travail de simulation du détecteur sPHENIX portant notamment sur la reconstruction et l'identification des particules dans la TPC en présence d'éventuelles distorsions du champ électrique. Tout en travaillant sur ces simulations, l'étudiant(e) examinera également les performances du détecteur sPHENIX concernant la mesures de plusieurs observables physiques telles que la structure interne des jets, la mesure de jets provenant de saveurs lourdes et la production de bottomonium, en présence du QGP.



Notre groupe au Département de Physique Nucléaire (DPhN) au CEA/Saclay possède une expertise reconnue de façon internationale sur la physique des ions lourds et l'étude du QGP. Il a contribué de façon significative à la fois aux expériences PHENIX, à RHIC et ALICE, au LHC. Son implication dans l'expérience sPHENIX est la continuation naturelle

de ces activités. En outre, le Département d'Electronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) est le leader mondial en ce qui concerne le développement, la construction et l'exploitation de détecteurs Micromegas. L'étudiant(e) travaillera dans un environnement enrichissant constitué de scientifiques et ingénieurs provenant de ces

deux départements. Il/elle devra montrer son intérêt à la fois pour le développement et la construction de détecteurs de particules, et les simulations, orientées aussi bien vers l'analyse que la physique.

Etude precise des couplages du boson de Higgs dans son canal de desintegration en deux bosons de jauge Z avec les données du détecteur ATLAS auprès du LHC.

SL-DRF-18-0310

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

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Atlas

Saclay

Contact :

Claude GUYOT

RODANTHI NIKOLAIDOU

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

Contact :

Claude GUYOT

CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas

01 69 08 55 74

Directeur de thèse :

RODANTHI NIKOLAIDOU

CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas

0169086157

Labo : http://irfu.cea.fr/Spp/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=3424

La partie principale de la thèse consistera en une analyse des données du run-2 (données à 13 TeV dans le centre de masse proton-proton dédiées prises entre 2015 et 2018) pour l'étude de la nature de boson de Higgs. Le projet consiste à mesurer les couplages du boson de Higgs via sa désintégration en 4 leptons (électrons ou muons) issus de la désintégration de deux bosons de jauge Z dans un régime où on s’éloigne de sa couche de masse (la masse invariante des 4 leptons est supérieure à la masse du boson de Higgs, régime dit "off-shell"), pour être finalement combiné avec les résultats correspondants obtenus à partir des mesures de couplage "on-shell" (à la masse du Higgs). Dans la pratique, notre tâche sera de mesurer la section efficace du processus pp-> ZZ-> 4l pour une large gamme de la masse invariante des 4 leptons de l’état final. Ce canal de désintégration ZZ offre la meilleure sensibilité en raison de sa signature propre avec un rapport signal sur bruit de fond excellent. De nouvelles interactions au-delà du modèle standard affecteraient à la fois le taux et les distributions différentielles de l'état final 4-leptons. La comparaison entre les sections efficaces de production on-shell et off-shell permet ainsi de mettre une limite supérieure sur la largeur totale du boson de Higgs via les effets d’interférence quantique entre les différents modes de production des paires ZZ à haute masse invariante. Cette largeur totale serait directement affectée par des couplages non standard à certaines particules du modèle standard ou par la présence de canaux de désintégration vers de nouvelles particules au-delà du modèle standard.

L'analyse sera effectuée en classant les événements par rapport au nombre de jets produits en association avec le système des 4 leptons (ZZ + n-jets) pour distinguer entre les différents modes de production du boson de Higgs.



Une deuxième partie de cette thèse sera consacrée à la compréhension, l’analyse et l'exploitation de détecteurs gazeux de type MicroMegas. Des détecteurs de ce type vont remplacer une partie du spectromètre à muons d'ATLAS et être opérationnels pour le redémarrage du LHC en 2021.

L’IRFU est un des sites de construction de ce type de détecteur. L’étudiant(e) participera aux tests de fonctionnement des modules une fois arrivés au CERN après leur construction à Saclay.

Mesure de la violation de la symétrie Charge-Parité dans les oscillations des neutrinos

SL-DRF-18-0234

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

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Neutrinos-accélérateurs

Saclay

Contact :

Sara Bolognesi

Marco ZITO

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

Contact :

Sara Bolognesi

CEA - DRF/IRFU/SPP/TK2

0169081461

Directeur de thèse :

Marco ZITO

CEA - DRF/IRFU/SPP/TK2

0169083819

Page perso : http://personalpages.to.infn.it/~bolognes/work.html

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=2032

Voir aussi : http://t2k-experiment.org/

La découverte de l'oscillation de neutrinos (Prix Nobel de Physique 2015, prix Breakthrough 2016) a démontré que les neutrinos ont une masse et cela n’est pas expliqué dans le cadre du Modèle Standard de la physique des particules. L'étude des neutrinos est donc un secteur très prometteur pour découvrir de nouveaux phénomènes.

L’expérience T2K (Tokai to Kamioka), située au Japon, étudie les oscillations des neutrinos avec un faisceau de neutrinos produits par l'accélératuer de JPARC. La collaboration T2K mesure l'oscillation en comparant la saveur des neutrinos produits tout près de l’accélérateur, mesurés avec le détecteur proche (ND280), et la saveur des neutrinos après un voyage de 295 km, mesurés avec le détecteur lointain (Super-Kamiokande) placé sur la côte opposée du Japon. Les équipes de l'IRFU ont fortement contribué à la construction du détecteur proche, dont le dispositif principal est un ensemble de trois grandes chambres à projection temporelle basées sur la technologie Micromegas. La comparaison entre l'oscillation des neutrinos et celle des antineutrinos permets de mesurer un paramètre encore inconnu : la phase qui paramétrise la violation de la symétrie charge-parité (CP). Cette violation pourrait jouer un rôle fondamental dans l'explication de l'asymétrie matière-antimatière dans l’Univers. La mesure par T2K à l'été 2017 permets d'exclure la conservation de CP avec un niveau de confiance de 95 %. La prise de données par T2K continue et pourrait permettre dans les années à venir des avancées significatives, avec une nouvelle phase à haute puissance entre 2021 et 2025 (T2K-2).

L’étudiant travaillera sur l'analyse d'oscillation avec les données actuelles de T2K et préparera les analyses plus précises des prochaines années y compris pour T2K-2. L’étudiant collaborera donc à la première mesure d'un des plus importants paramètres dans la physique des particules. Le travail se déroulera dans le cadre de la collaboration internationale T2K mais les résultats auront un impact aussi sur d'autres expériences en cours (NOVA) et prévues (DUNE, HyperKamiokande) dans les prochaines décennies.

Le travail aura pour but de réduire les incertitudes systématiques, en particulier celles liées à la modélisation de l'interaction neutrino-noyau grâce à l'excellente expérience du groupe dans ce domaine en collaboration avec d'autres physiciens de l'IRFU, spécialistes du sujet. Le candidat travaillera aussi à l'optimisation de l'analyse d'oscillation afin de minimiser l'impact de ces incertitudes, par exemple en utilisant dans l'analyse de nouvelles variables liées à la cinématique des hadrons produits dans l'interaction (pions et nucléons).

Modélisation des spectres antineutrino de réacteur

SL-DRF-18-0251

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

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Double Chooz

Saclay

Contact :

Matthieu Vivier

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

Contact :

Matthieu Vivier

CEA - DRF/IRFU/SPP/

0169086626

Directeur de thèse :

Matthieu Vivier

CEA - DRF/IRFU/SPP/

0169086626

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=424

Les antineutrinos de réacteurs ont depuis leur découverte en 1956 joué un rôle prépondérant dans la compréhension des propriétés fondamentales du neutrino. Les neutrinos sont des particules élémentaires qui existent sous la forme de trois saveurs et qui possèdent la propriété de pouvoir en changer, phénomène connu sous le nom d’oscillation des neutrinos. Les centrales nucléaires utilisées pour la production d’électricité sont des sources intenses d'antineutrinos, et offrent ainsi un moyen très efficace d'étudier ce phénomène lorsque l’on place un ou plusieurs détecteurs à proximité.

Les antineutrinos de réacteur sont émis par désintégration beta moins des produits issus de la fission du combustible nucléaire (235U, 238U, 239Pu, 241Pu). Le spectre antineutrino émis par un cœur de réacteur résulte ainsi de la superposition de milliers de branches beta. En 2011, les équipes du CEA/Irfu ont réévalué les spectres antineutrinos émis par ces derniers pour les besoins de l'expérience Double Chooz qui étudie l'oscillation des neutrinos. Suite à cette réévaluation, une première étude a démontré l’existence d’un déficit systématique du nombre d’antineutrinos détectés par rapport à celui attendu dans une vingtaine d’expériences situées à moins de 100 m d’un réacteur : c’est l’anomalie des antineutrinos de réacteur. D’autre part, les dernières mesures des spectres en énergie des antineutrinos émis révèlent aussi un désaccord de forme par rapport aux prédictions. Pour finir, il semblerait aussi que l'évolution des flux mesurés en fonction de la composition isotopique des coeurs soient en désaccord avec les prédictions. L'ensemble de ces faits expérimentaux pousse ainsi la communauté scientifique à questionner certaines hypothèses faites dans la modélisation des spectres antineutrinos de réacteur, notamment celles utilisées pour modéliser les branches beta.

Le travail proposé dans cette thèse consiste à réviser et affiner le calcul des spectres antineutrinos de réacteur. Ce travail se fera au sein de l'équipe du projet NENuFAR (New Evaluation of Neutrino Fluxes At Reactors), projet soutenu et financé par la direction des programmes transverses du CEA. Le doctorant devra en particulier développer et optimiser des outils de calcul performants pour la modélisation des branches beta. Il aura à évaluer précisément l'ensemble des corrections électromagnétiques et atomiques à la théorie de Fermi de la désintégration beta, ainsi qu'à traiter correctement la modélisation des transitions interdites. L'objectif final de la thèse sera ainsi de proposer une nouvelle prédiction de référence des spectres antineutrinos de réacteurs et de mieux comprendre l’origine des désaccords expérimentaux mentionnés précédemment. Le travail accompli sera d'autre part mis à profit pour étendre les prédictions au domaine des basses énergies (E < 1.8 MeV). Ce second objectif est notamment d’un grand intérêt pour l’étude du processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux.

Observation et mesures du boson de Higgs produit en association avec une paire top-antitop dans l’expérience ATLAS

SL-DRF-18-0303

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

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Atlas

Saclay

Contact :

Henri BACHACOU

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

Contact :

Henri BACHACOU

CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas

+41227675650

Directeur de thèse :

Henri BACHACOU

CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas

+41227675650

Labo : irfu.cea.fr/Spp

Voir aussi : http://atlas.cern.ch/

Avec la découverte d'un nouveau boson compatible avec le boson de Higgs prédit dans le cadre du Modèle Standard (MS), une nouvelle ère de la physique des particules a commencé. Une des priorités pour les années à venir est d'étudier la nature du boson de Higgs et son lien possible avec des extensions du MS, tels que la supersymmétrie ou les théories avec dimensions supplémentaires. Il est particulièrement interessant de comprendre la relation entre le boson de Higgs et la particule élementaire la plus lourde, le quark top, et de mesurer le couplage de Yukawa entre le quark top et le boson de Higgs. Le seul processus permettant une mesure directe à ce couplage est la production d'un boson de Higgs en association avec une paire de quarks top (ttH). L'observation de ce canal ttH est un des défis majeurs au grand collisionneur hadronique (LHC) au CERN.



Après deux années d'arrêt, le LHC a redémarré en 2015 avec une luminosité accrue et une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Une luminosité intégrée de plus de 120 fb-1 est attendue d'ici à la fin de 2018. Avec les données de l'expérience ATLAS on s'attend à pouvoir observer le processus ttH et en mesurer sa section efficace. Le doctorant jouera un rôle majeur dans cette mesure.



Plus précisément, le canal étudié est celui dans lequel le boson de Higgs se désintègre en une paire de quarks b. Ce canal bénéficie d'un grand rapport d'embranchement, mais aussi d'un important bruit de fond venant de la production de paires de quarks top et de jets additionnels (ttbar+jets). Une attention particulière sera donc apportée à la reconstruction des événements ttH et à la modélisation du bruit de fond ttbar+jets.

Recherche de nouvelle physique dans le secteur des neutrinos à basse énergie

SL-DRF-18-0246

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

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Double Chooz

Saclay

Contact :

Matthieu Vivier

Thierry Lasserre

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

Contact :

Matthieu Vivier

CEA - DRF/IRFU/SPP/

0169086626

Directeur de thèse :

Thierry Lasserre

CEA - DSM/IRFU/SPP

0169083649

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=3554

Plusieurs expériences ont observé des désaccords dans les mesures de flux et de spectres antineutrinos émis par un réacteur nucléaire. Ces désaccords signeraient-ils l’existence d’une nouvelle physique, comme une quatrième famille de neutrinos, ou bien une méconnaissance des mécanismes à l’œuvre dans la production d’antineutrinos au sein d’un réacteur nucléaire ’ C’est dans le cadre de ces questions brûlantes que cette thèse se propose de travailler à une modélisation raffinée des spectres antineutrino de réacteur, en faisant appel à un panel de compétences à la frontière en physique des particules, physique nucléaire et physique des réacteurs que seul le CEA possède. Ces travaux sont d’un grand intérêt pour la physique fondamentale du neutrino, et pourraient avoir des retombées dans des domaines tels que l’énergie ou la médecine nucléaire.



Le neutrino est une particule élémentaire du Modèle Standard de la Physique des Particules (MSPP), théorie décrivant les particules élémentaires et leurs interactions (interactions électromagnétique, faible et forte). C’est une particule électriquement neutre uniquement sensible à la force faible, rendant ainsi l’ensemble de ses processus d’interaction avec la matière extrêmement peu probable. Il peut se décliner sous forme de trois saveurs, chacune d’entre elle étant associée à l’électron, au muon et à la particule tau, et possède la propriété de pouvoir changer de saveur, phénomène connu sous le nom d’oscillation des neutrinos. Depuis leur découverte en 1956 auprès de la centrale de Savannah River aux Etats-Unis, les antineutrinos (nu_e) de réacteur sont devenus incontournables pour l’étude des propriétés fondamentales du neutrino. En tirant parti des formidables quantités de nu_e produites dans un coeur, de l’ordre de 1020 s-1 GWth-1, les expériences réalisées auprès de réacteurs nucléaires ont permis de caractériser précisément les processus d’interaction des neutrinos dans la matière, d’en mesurer les propriétés d’oscillation, et de rechercher de la nouvelle physique au-delà du MSPP. Plusieurs questions fondamentales comme la hiérarchie des masses des neutrinos ou l’existence de nouvelles familles, restent cependant non-résolues et font toujours l’objet d’expériences auprès de réacteurs, dont notamment les expériences Double Chooz et Stereo initiées et menées par la DRF/Irfu.

Les nu_e de réacteur sont émis par désintégration beta moins des produits issus de la fission du combustible nucléaire (235U, 238U, 239Pu, 241Pu). Lors d’une désintégration beta moins, un noyau excité éjecte en corrélation un électron beta et un nu_e. Les probabilités d’émission ainsi que les spectres en énergie moyen associés à chacune de ces deux particules sont caractéristiques du noyau concerné, et dépendent de sa structure nucléaire et atomique. Le spectre nu_e émis par un cœur de réacteur résulte ainsi de la superposition de milliers de spectres beta. En 2011, les équipes de la DRF/Irfu ont réévalué les spectres nu_e émis par ces derniers pour les besoins de l'expérience Double Chooz qui étudie l'oscillation des neutrinos. Suite à cette réévaluation, une première étude a démontré l’existence d’un déficit systématique du nombre de nu_e détectés par rapport à celui attendu dans une vingtaine d’expériences situées à moins de 100 m d’un réacteur : c’est l’anomalie des nu_e de réacteur. Si cette anomalie n’est pas la conséquence d’une prédiction erronée des flux, cette dernière pourrait s’interpréter par l’existence d’un quatrième neutrino, dit stérile, le MSPP n’autorisant pas l’existence de neutrinos supplémentaires pouvant interagir via la force faible. Outre cette anomalie en norme, les dernières mesures des spectres en énergie des nu_e émis ont aussi révélé un désaccord de forme par rapport aux prédictions. Pour finir, il semblerait aussi que l'évolution des flux mesurés en fonction de la composition isotopique des cœurs soit en désaccord avec les prédictions. L'ensemble de ces faits expérimentaux pousse ainsi la communauté scientifique à questionner les modèles en vigueur, notamment au niveau de la physique des réacteurs pour calculer l’activité des produits de fission dans le cœur, mais aussi au regard des hypothèses adoptées pour modéliser les branches beta composant un spectre.

Le travail proposé dans cette thèse vise à réviser et affiner le calcul des spectres nu_e de réacteur. Le doctorant s’attachera en particulier à développer et optimiser des outils de calcul performants pour une modélisation fine et précise de chacune des branches beta entrant dans la composition d’un spectre. En quelques détails, il aura à évaluer précisément l'ensemble des corrections électromagnétiques et atomiques à la théorie V-A de la désintégration beta, ainsi qu'à traiter correctement la modélisation des transitions interdites. Il intégrera ces outils dans un code de calcul dédié pour la prédiction des spectres nu_e de réacteurs, l'objectif final de la thèse étant de proposer une nouvelle prédiction de référence suivi d’une nouvelle comparaison aux données expérimentales afin de mieux comprendre l’origine des désaccords mentionnés précédemment. Le travail accompli sera d'autre part mis à profit pour étendre les prédictions au domaine des « basses énergies », les nu_e de réacteurs étant détectés à l’aide de la réaction de désintégration beta inverse, réaction présentant un seuil en énergie de 1.8 MeV. Ce second objectif est notamment d’un grand intérêt pour l’étude du processus sans seuil de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux auprès de réacteurs. Ce processus d’interaction des nu_e, encore inexploité jusqu’à présent, possède une section efficace jusqu’à 100 fois plus élevée que la réaction de désintégration beta inverse, et pourrait donc ouvrir la voie à une miniaturisation des futurs détecteurs de neutrinos. Il permet aussi d’aller sonder de la nouvelle physique au-delà du MSPP.

Recherche de particules de matière noire dans les états finals à deux jets et une grande énergie transverse manquante avec le détecteur ATLAS auprès du LHC

SL-DRF-18-0576

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

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Atlas

Saclay

Contact :

Samira Hassani

Claude GUYOT

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

Contact :

Samira Hassani

CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas

0169087226

Directeur de thèse :

Claude GUYOT

CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas

01 69 08 55 74

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=1213

Après la découverte du boson de Higgs au run I du LHC, un des enjeux majeurs des prises de données présentes et à venir est la mesure précise de ses couplages avec les particules du Modèle Standard pour éventuellement fournir des indications sur l’existence de particules non incluses dans le modèle Standard. Dans cette thèse, on s'intéressera au cas où la désintégration du Higgs de masse mH ~ 125 GeV s'effectue dans une paire de particules « invisibles » (sans interaction avec la matière du détecteur). Dans certains modèles théoriques, cette particule invisible, qui ne se couple qu'au boson de Higgs, fournirait un candidat pour expliquer la matière noire de l'Univers. Au LHC, la recherche d'un tel mode de désintégration peut s’effectuer, par exemple, à travers l'étude de la production associée VH ou V (=Z ou W) est un boson vecteur de l’interaction faible ou dans le mode de production du Boson de Higgs appelé « Vector Boson Fusion » (VBF). Les modes VH, avec le boson vecteur V se désintégrant en une paire quark-antiquark, et VBF conduisent à des états finals avec deux jets énergétiques et une grande énergie transverse manquante. On s’intéressera aussi au cas V=Z où le Z se désintègrerait en 2 leptons chargés qui conduit à un état final très pur même en présence d’un empilement de collisions proton-proton important.

Le travail de thèse portera sur l’amélioration de l’analyse de ces canaux, déjà effectuées au run1 et avec les premières données du run 2 par la collaboration ATLAS, en faisant appel à des méthodes d’analyse multivariée et de « Machine Learning » pour optimiser la mesure de l’énergie transverse manquante et la rejection du bruit de fond en présence d’un empilement de collisions importants et en utilisant toutes les données du run 2 collectées à 13 TeV entre 2015 et 2018.

Cette thèse comportera également un volet « développement de détecteurs » avec la participation au développement et aux tests de capteurs silicium rapides pour équiper un détecteur d’identification des muons vers l’avant qui devrait être installé dans ATLAS vers 2025 pour la montée en luminosité du LHC.

Recherche du boson de Higgs se désintégrant en deux photons en production associée à une paire de quarks top dans l'expérience CMS.

SL-DRF-18-0279

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

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe CMS

Saclay

Contact :

Julie Malcles

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

Contact :

Julie Malcles

CEA - DRF/IRFU/SPP/CMS

+33 1 69 08 86 83

Directeur de thèse :

Julie Malcles

CEA - DRF/IRFU/SPP/CMS

+33 1 69 08 86 83

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=1424

Voir aussi : https://cms.cern/

Les expériences ATLAS et CMS du LHC au CERN ont découvert en 2012 l'existence d'un nouveau boson compatible avec le boson de Higgs prédit par le Modèle Standard de la physique des particules. La mesure des propriétés de ce boson H est aujourd'hui un des enjeux majeurs du LHC. Une mesure de la production de ce boson en association avec une paire de quarks top (ttH) permettrait d'accéder au couplage de Yukawa du boson de Higgs au quark top, paramètre fondamental du Modèle Standard (MS) de la physique des particules. Le quark top étant la particule la plus massive du MS, ce couplage pourrait jouer un rôle spécial dans le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible. Sa mesure est donc l'une des mesures les plus intéressantes à mener au LHC aujourd'hui. Le processus ttH étant très rare, cette mesure est difficile. Un excès à trois déviations standard devrait être observable au LHC dans le canal en deux photons, avec la centaine d'inverse femtobarn qui sera disponible pour cette thèse. En combinant plusieurs canaux, une toute première observation de la production ttH devrait être possible durant cette thèse. Le canal diphoton sera un des éléments clés de cette combinaison, et à terme sera le canal le plus sensible pour cette mesure. C'est donc le parfait moment pour travailler sur ce sujet. Le groupe CMS de Saclay possède une grande expertise dans la mesure de l'énergie des photons et est un des auteurs principaux de l'analyse du canal en deux photons à 13 TeV, en particulier pour la production associée ttH. L'étudiant sera ainsi encadré par une équipe possédant l'expertise et les outils nécessaires.
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