12 sujets IRFU

Dernière mise à jour : 02-12-2020


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• Physique des particules

 

CALIBRATION DES BOLOMETRES A L’ECHELLE DU KeV ET DIFFUSION COHERENTE DES NEUTRINOS AVEC L’EXPERIENCE NUCLEUS

SL-DRF-21-0270

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

Service de Physique Nucléaire (DPhN)

Laboratoire etudes et applications des reactions nucleaires (LEARN) (LEARN)

Saclay

Contact :

David LHUILLIER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021

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_sstheme.php?id_ast=31&voir=technique

Le sujet central cette thèse est l’expérience NUCLEUS qui a pour motivation de mesurer la diffusion cohérente des neutrinos issus des réacteurs du site EDF de Chooz, dans les Ardennes. Bien que, dans la gamme d’énergie du MeV qui nous concerne, la diffusion cohérente sur les noyaux soit le mode d’interaction le plus probable des neutrinos avec la matière, il est extrêmement difficile à détecter car sa seule signature est le recul infime du noyau cible. Ainsi la première observation de ce processus date de 2017 seulement, avec des neutrinos de quelques dizaines de MeV issus de la source de spallation de Oak Ridge. La mesure auprès des réacteurs reste à faire et NUCLEUS a pour objectif une étude précise de ce couplage neutrino-matière encore inexploré, avec une sensibilité unique à une éventuelle nouvelle physique dans le secteur électrofaibe du modèle standard. La diffusion cohérente se distingue de la réaction bêta-inverse utilisée jusqu’à présent par une section efficace plusieurs ordres de grandeur supérieure permettant une miniaturisation des détecteurs : 10g de cible seulement pour la première phase de NUCLEUS. Enfin, l’absence de seuil de réaction (au lieu de 1.8 MeV pour la bêta-inverse) pourrait également permettre un suivi direct de l’accumulation de plutonium dans les cœurs de réacteur.

NUCLEUS utilisera des bolomètres en saphir (Al2O3) et en tungstate de calcium (CaWO4) sous forme de cristaux cubiques de 5 mm d’arête. Un seuil de détection de 20 eV a déjà été atteint avec cette technologie. Le travail de thèse proposé ici portera sur deux aspects centraux de l’expérience : la calibration des détecteurs et la réjection des rayons cosmiques, principale source de bruit de fond. Une calibration précise est en effet un ingrédient indispensable pour étudier la diffusion cohérente et pour atteindre la meilleure sensibilité sur une éventuelle nouvelle physique. Bien que la gamme d’énergie des reculs nucléaires attendus, de l’ordre de 100 eV, soit au-dessus des seuils de détection aucune méthode de calibration absolue des bolomètres n’existe actuellement pour cette nouvelle région d’intérêt. L’extrapolation des mesures disponibles à l’échelle du keV est problématique du fait d’une évolution rapide et non-triviale de la répartition des différents modes d’excitation : phonons, ionisation et scintillation. Une nouvelle méthode proposée par le Département de Physique Nucléaire du CEA-Saclay (DPhN) donnerait accès pour la première fois à des reculs nucléaires calibrés, dans le domaine des 100 eV et uniformément répartis dans le volume du bolomètre. La validation de cette méthode et une première mesure avec un bolomètre de NUCLEUS seront développées durant la thèse, en collaboration avec l’IJCLab d’Orsay, l’université de Munich (TUM) et l’université de Vienne (TU Wien). Applicable à différents types de bolomètres, cette méthode a potentiellement un fort impact scientifique vers les programmes de diffusion cohérente de neutrinos, de recherche de matière noire légère mais aussi de physique du solide.

Le DPhN est également fortement impliqué dans la réalisation du véto muon de NUCLEUS. Ce blindage actif entoure aussi hermétiquement que possible tout le dispositif de mesure avec des panneaux de plastique scintillant dont la lumière est extraite par des fibres optiques connectées à des Silicon-Photomultipliers (SiPM). Il a pour but de signer le passage des rayons cosmiques à proximité des bolomètres afin de rejeter tout événement (potentiellement bruit de fond) durant les ~100 microsecondes suivantes. L’exploitation des données de ce détecteur est une entrée naturelle vers l’analyse de NUCLEUS dont le démarrage de la prise de données sur site EDF est prévu fin 2022 – début 2023.

Enfin, le DPhN est également à l’origine de l’expérience STEREO qui a pour motivation la recherche de neutrinos stériles et la mesure précise du spectre neutrino issu de la fission de 235U. Elle est installée auprès du réacteur de recherche de l’ILL et termine sa prise de données cette année. Une partie du travail de thèse pourrait être orienté vers la combinaison des résultats finals de STEREO avec ceux d’autres expériences neutrino, effort déjà engagé avec la collaboration PROSPECT. Certaines techniques impliquées de déconvolution de spectre et de fit global pourraient être transférables à NUCLEUS.



Étapes du travail:

La priorité en début de thèse sera mise sur le développement de la méthode de calibration des bolomètres à 100 eV avec une première étape de validation de principe au CEA et à Orsay en 2021-22, puis une mesure avec les bolomètres de NUCLEUS en Allemagne en 2022-23. Ces travaux feront l’objet de publications techniques et physiques.

L’implication sur l’analyse des données de NUCLEUS montera en puissance en 2e partie de thèse. Le point d’entrée sera l’exploitation des données du véto muon installé sur le site EDF à partir de fin 2022. Le premier travail sera l’optimisation des gains et des seuils pour chaque SiPM afin d’assurer une forte réjection des rayons gamma ambiants, une grande efficacité de détection des muons et un temps mort d’acquisition maîtrisé. Un suivi automatique de l’évolution en temps des performances sera mis en place. La suite de l’analyse pourra se concentrer sur une source spécifique de bruit de fond générée par les rayons cosmiques.

En lien avec le travail sur la calibration des bolomètres des études de sensibilité pourront être menées dans le cadre des tests à basse énergie du modèle standard accessibles par NUCLEUS : évolution de sin2_theta_W, moment magnétique du neutrino … Une synergie avec certains développements de fin d’analyse de STEREO serait alors exploitable.

A travers ce travail l’étudiant(e) aura une formation complète de physicien expérimentateur avec des aspects de simulation, de mise au point de détecteur et d’analyse de données. Les thématiques de physique abordées, diffusion cohérente de neutrino et calibration des bolomètres, sont très actives dans la communauté et offriront de nombreuses perspectives de recherche à l’issue de la thèse. L’étudiant(e) évoluera dans des collaborations internationales. Au sein du CEA il (elle) bénéficiera du caractère « transverse » du neutrino et sera en interaction régulière avec les communautés de physique nucléaire, de physique des particules et de physique des réacteurs.

Conception, caractérisation et exploitation de MICROMEGAS résistifs pour le détecteur proche de DUNE

SL-DRF-21-0291

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

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Neutrinos Accélérateurs (GNA)

Saclay

Contact :

Guillaume Eurin

Samira Hassani

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021

Contact :

Guillaume Eurin
CEA - DRF/IRFU/DPHP

0169085925

Directeur de thèse :

Samira Hassani
CEA - DRF/IRFU/DPHP/TK2

0169087226

Description et problématique:



La découverte de l'oscillation des neutrinos a démontré que leur masse est non nulle. Cela ne peut s'expliquer dans le cadre du Modèle Standard de la Physique des Particules. La physique des neutrinos est donc un secteur très prometteur pour la recherche de nouvelle physique.



Un certain nombre d'expériences mènent à l'heure actuelle l'étude des oscillations comme T2K ou NOvA. Ces expériences utilisent un faisceau de neutrinos muoniques produit par des accélérateurs de particules. DUNE fait partie des projets en cours de développement dans ce domaine. DUNE aura une masse très grande (4x17 kt), une puissance de faisceau plus importante et se caractérise par une longue ligne de base. Cela devrait permettre une mesure précise de la phase de violation de CP (deltaCP) ainsi que de la hiérarchie de masse des neutrinos. La mesure de la violation de CP dans le secteur leptonique serait une découverte majeure. Celle-ci est connectée dans certains modèles de nouvelle physique à l'asymétrie matière-antimatière observée dans l'Univers. T2K a d'ores et déjà posé la première contrainte sur la valeur de deltaCP en excluant à 90% la conservation de CP dans le secteur leptonique (deltaCP = 0).



Le concept de DUNE est similaire aux expériences existantes. Les neutrinos produits par l'interaction du faisceau avec une cible sont détectés sur deux sites: le détecteur proche à ~210~m et le détecteur lointain à ~1300~km. La comparaison entre les spectres observés aux deux sites permet de mesurer les paramètres régissant l'oscillation des neutrinos. La synergie entre les détecteurs aux deux sites permet de réduire un grand nombre d'incertitudes liées au flux ou encore à la section efficace d'interaction des neutrinos.



La construction du détecteur proche de DUNE devant commencer fin 2026 - début 2027, les prochaines années vont être cruciales pour le développement des technologies déployées dans le détecteur et des méthodes d'analyse de données nécessaires à leur exploitation scientifique.



Le monitoring du faisceau pour DUNE sera effectué par le détecteur SAND, largement inspiré de celui de T2K. L'étudiant(e) participera au développement et à l'optimisation des détecteurs Micromegas resistifs pour la lecture de la charge dans les chambres à projections temporelles servant à la mesure de traces dans SAND. Le travail se déroulera dans le cadre de la collaboration internationale DUNE avec une participation possible aux tests et à l'intégration des détecteurs dans le détecteur proche de T2K: ND280-Upgrade.



Description du groupe, laboratoire, encadrement:



La collaboration DUNE est une collaboration internationale de plus d'un millier de membres avec une forte contribution en Europe.

Le groupe neutrino aux accélérateurs de l'IRFU/DPhP est actif dans la collaboration depuis plusieurs années grâce notamment aux développements de la technologie double phase pour le détecteur lointain.

Les activités sur le détecteur proche SAND héritent directement de l'expertise acquise pour la conception des détecteurs Micromegas résistifs pour le détecteur proche de T2K. Dans ce cadre, le groupe neutrino aux accélérateurs est composé de 6 permanents et 2 étudiants en lien avec les Micromegas résistifs.

L'étudiant(e) bénéficiera également de la collaboration avec les services techniques de l'IRFU/DEDIP, l'un des leaders internationaux du développement de détecteurs micro-structure. Des outils très avancés sur les détecteurs, l'acquisition, le slow-control et l'électronique lui seront ainsi accessibles.



Travail proposé:



L'étudiant(e) participera à l'optimisation sur banc de test et par simulations du design des Micromegas résistifs pour les TPCs de SAND. Des tests en cosmiques et en faisceau seront nécessaires pour la caractérisation des détecteurs en conditions réelles. Ces tests seront effectués sur les lignes de faisceau du CERN et/ou de DESY ainsi que sur les infrastructures présentes à l'IRFU. Une contribution importante à l'installation des détecteurs sur site ainsi qu'à leur opération est envisagée. L'analyse des données de ces tests, qui s'effectuera en collaboration avec un chercheur post-doctoral, sera une des activités principales et pourra donner lieu à une publication. La construction du détecteur proche de T2K devant être terminée pour l'été 2022, l'étudiant(e) pourra, dès son stage, participer aux tests des détecteurs résistifs dans le cadre de la production pour un détecteur final.



L'autre activité principale de l'étudiant(e) se situera au niveau de l'analyse des données de simulations du détecteur SAND dans son ensemble. Ce travail permettra de réévaluer les incertitudes systématiques théoriques à l'aide de nouveaux modèles d'interaction neutrino-nucléon, contribution importante pour la sensibilité de SAND pour les mesures d'oscillations sur DUNE. Cette analyse sur les modèles nucléaires, actuellement développée dans le groupe pour T2K, devra être adaptée pour DUNE en incorporant les développements instrumentaux spécifiques avec les différents prototypes. Le développement des algorithmes de reconstruction des traces dans les TPC de SAND se fera également en étroite collaboration avec les membres du groupe travaillant sur cette activité pour le détecteur proche de T2K.



Formation et compétences requises:



Un Master en physique des particules avec des connaissances sur le Modèle Standard est un préalable a cette thèse. Un intérêt marqué pour l'instrumentation est souhaitable et une motivation pour la physique des neutrinos est un plus indéniable. Une initiation au langages C++ et à ROOT sera également très utile.



Compétences acquises:



L'étudiant(e) aura à la fin de sa thèse une bonne connaissance des détecteurs et outils informatiques utilisés dans une collaboration de physique des particules de part son implication dans leurs développements. Ses connaissances techniques sur les détecteurs ainsi que sur les méthodes d'analyse de données et de simulations pourront être valorisées dans d'autres contextes.



Collaboration/Partenariats:



L'étudiant(e) travaillera au sein d'une très grande collaboration internationale. Cela lui permettre d'acquérir une bonne expérience en physique des particules et une visibilité conséquente en participant à des Écoles de Physique, ateliers et conférences où ses résultats seront présentés.
Diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux et recherche de nouvelle physique avec l’expérience NUCLEUS

SL-DRF-21-0298

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

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Sources et Réacteurs (GNSR)

Saclay

Contact :

Matthieu Vivier

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021

Contact :

Matthieu Vivier
CEA - DRF/IRFU/DPHP/Double Chooz

0169086626

Directeur de thèse :

Matthieu Vivier
CEA - DRF/IRFU/DPHP/Double Chooz

0169086626

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

Voir aussi : http://irfu-i.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=4248

Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre de l’expérience NUCLEUS, qui a pour but de mesurer précisément le processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN) sur la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes. Bien qu’aux énergies du ~MeV, la DCNN soit le mode prépondérant d’interaction des neutrinos avec la matière, elle est restée très longtemps inobservée à cause de la difficulté à mesurer les faibles reculs nucléaires qu’elle produit. Ce n’est que 40 ans après sa première prédiction que ce processus a été observé pour la première fois en 2017 avec des neutrinos de quelques dizaines de MeV au laboratoire d’Oak Ridge, Tennessee. La première détection du processus sur un réacteur nucléaire reste à faire, notamment parce que les reculs nucléaires correspondants se situent dans une gamme en énergie (~100 eV) difficilement mesurable avec des technologies de détection conventionnelles, mais aussi à cause des conditions de bruit de fond généralement défavorables qu’offre l’environnement d’une centrale nucléaire. La collaboration NUCLEUS travaille ainsi à la conception d’un système de détection utilisant deux réseaux de calorimètres cryogéniques capables d’atteindre des seuils de l’ordre de 10 eV, et entourés par un double système de blindages cryogéniques instrumentés. Cet ensemble de détecteurs cryogéniques sera lui-même protégé par un blindage radiologique externe et par un véto muon pour améliorer l’identification et la discrimination des bruits de fond typiquement présents sur un site expérimental en surface tel que celui identifié à Chooz. Avec ce système, NUCLEUS a pour objectif une mesure précise de la DCNN afin de pousser l’étude des propriétés fondamentales du neutrino ainsi que la recherche de nouvelle physique vers les basses énergies, domaine qui reste aujourd’hui largement inexploré. La DCNN se distingue d’autre part des canaux usuels de détection des neutrinos du MeV (désintégration beta inverse, diffusion neutrino-électron), par une section efficace 10 à 1000 fois supérieure, permettant d’entrevoir à terme une miniaturisation des détecteurs de neutrinos à longue portée. La première phase de l’expérience NUCLEUS déploiera ainsi réseau de calorimètres cryogéniques composé de cristaux de saphir (Al2O3) et de tungstate de calcium (CaWO4) totalisant 10 g de détecteur.



Outre la caractérisation et l’aménagement du site expérimental à Chooz, notre équipe à l’Irfu travaille au cœur des problématiques de bruit de fond à travers plusieurs développements instrumentaux. Le DPhP est notamment fortement impliqué dans la réalisation de l’un des blindages cryogéniques instrumentés de l’expérience, appelé ici véto cryogénique externe. Ce dernier consiste en un arrangement de cristaux de Germanium haute pureté, érigé hermétiquement tout autour des deux réseaux de calorimètres cryogéniques, et opérés en mode ionisation. Ce système de détection jouera un rôle central pour l’indentification et la discrimination des bruits de fond venants de l’extérieur, tels que la radioactivité ambiante ou les muons atmosphériques issus de l’interaction du rayonnement cosmique primaire dans l’atmosphère. L’exploitation des données délivrées par ce détecteur est une entrée naturelle dans l’effort d’analyse des premières données de l’expérience, qui arriveront en 2021/2022 lors de la phase d’assemblage à blanc dans les locaux de l’université technique de Munich, et lors du premier run de physique prévu en 2023 à Chooz.



Le travail proposé dans cette thèse s’articulera donc autour du véto cryogénique externe de l’expérience, avec l’objectif ultime de comprendre et de caractériser finement les bruits de fond dans la région d’intérêt du signal DCNN, entre 0.01 et 1 keV. La priorité en début de thèse sera mise sur la réalisation et la mise en service du véto cryogénique externe lors de la phase d’assemblage à blanc à Munich. Ce travail comprend l’assemblage des différents éléments du détecteur (cristaux, mécanique de support, électronique de lecture, etc.) dans le cryostat de l’expérience, et inclut l’ensemble des tests à mener pour valider le fonctionnement et qualifier les performances de ce détecteur.

Dans un second temps, l’étudiant(e) montera en puissance sur l’effort d’analyse des données de l’expérience en contribuant au développement d’outils d’analyse et de simulation pour exploiter les mesures de bruit de fond et les données d’étalonnage des détecteurs acquises lors de la phase d’assemblage à blanc et lors du premier run de physique. Il (elle) pourra se concentrer sur l’étude d’une source spécifique de bruit de fond externe, et quantifier son impact sur le potentiel de physique de l’expérience. Ce travail nécessitera non seulement une bonne compréhension des processus gouvernant les interactions rayonnement-matière, mais aussi une bonne maitrise de la physique du solide sous-jacente au fonctionnement des détecteurs cryogéniques (par exemple, propagation des phonons). Pour terminer, l’étudiant(e) utilisera les premières données issues du run de physique à Chooz pour mener une étude originale sur la recherche de nouvelle physique avec la DCNN (mesure de l’angle de Weinberg à basse énergie, recherche de nouveaux couplages des neutrinos à la matière, études des propriétés électromagnétiques du neutrino, etc.). Ce travail nécessitera de mettre en place des outils fins de traitement statistique des données, afin d’une part de comprendre l’impact des différentes sources d’incertitudes sur les contraintes obtenues, et d’autre part de garantir la fiabilité des résultats.

ETUDE DE LA DESINTEGRATION RARE DU BOSON DE HIGGS EN UNE PAIRE DE MUONS AVEC LE DETECTEUR ATLAS AU LHC

SL-DRF-21-0352

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

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Atlas (ATLAS)

Saclay

Contact :

RODANTHI NIKOLAIDOU

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2021

Contact :

RODANTHI NIKOLAIDOU
CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas

0169086157

Directeur de thèse :

RODANTHI NIKOLAIDOU
CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas

0169086157

En juillet 2012, les collaborations ATLAS et CMS ont annoncé la découverte d'une nouvelle particule d'une masse d'environ 125 GeV au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN. Depuis cette découverte, les deux collaborations étudient activement les propriétés de cette nouvelle particule, jusqu’à présent cohérentes avec celles du boson de Higgs du modèle standard.

Dans le modèle standard, le mécanisme de Brout-Englert-Higgs prédit que le boson de Higgs interagira avec les particules de matière (quarks et leptons, appelés fermions) avec une force proportionnelle à la masse de la particule. Il prédit également que le boson de Higgs interagira avec les particules vecteurs de force (bosons W et Z) avec une force proportionnelle au carré de la masse de la particule. Par conséquent, en mesurant les taux de désintégration et de production du boson de Higgs, qui dépendent de la force d'interaction avec ces autres particules, on peut effectuer un test fondamental du modèle standard.

Les collaborations ATLAS et CMS ont déjà observé la désintégration du boson de Higgs en lepton tau, appartenant à la troisième « génération » de fermions. Étant donné que les muons sont beaucoup plus légers que les leptons tau, la désintégration du boson de Higgs en une paire de muons devrait se produire environ 300 fois moins souvent que celle d'une paire de leptons-tau. Malgré cette rareté, la désintégration H ’ µµ offre la meilleure occasion de mesurer l'interaction du boson de Higgs avec les fermions de deuxième génération au LHC, fournissant de nouvelles informations sur l'origine de la masse pour différentes générations de fermions. Les collaborations ATLAS et CMS ont récemment présenté des résultats sur cette désintégration en utilisant l'ensemble de données pendant la 2eme phase du LHC (Run-2 de 2015 à 2018). L’étude de ce processus constitue un des principaux objectifs de la troisième phase du LHC (Run-3).

Le but de cette thèse est la recherche de boson de Higgs se désintégrant en deux muons par l’analyse de l’ensemble des données du Run-3 et en les combinant avec les données précédentes de la deuxième phase (Run-2) afin d’établir la découverte de la désintégration du boson de Higgs en deux muons et contraindre les théories de physique possibles au-delà du modèle standard qui affecterait ce mode de désintégration du boson de Higgs. La thèse comprendra également des travaux sur l’évaluation des performances du spectromètre à muons d’ATLAS. Un intérêt particulier sera porté à la compréhension, l’analyse et l'exploitation des détecteurs gazeux de type MicroMegas. La phase-I de l’upgrade du détecteur ATLAS a pour but de se préparer aux hautes luminosités qui fournira le LHC. Dans ce cadre, les 2 grands plans de détection appelés NSW (New Small Wheel) seront équipés de nouveaux détecteurs de type MicroMegas et vont remplacer une partie du spectromètre à muons d'ATLAS, et être opérationnels pour le redémarrage du LHC en 2022.

Imagerie 3D par tomographie muonique d’un réacteur en phase de démantèlement

SL-DRF-21-0372

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

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Santé et Energie (GSE)

Saclay

Contact :

Hector GOMEZ

Sébastien Procureur

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021

Contact :

Hector GOMEZ
CEA - DRF/IRFU/Dedip


Directeur de thèse :

Sébastien Procureur
CEA - DRF/IRFU/DPhP

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

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=4827

Voir aussi : "Muon imaging: Principles, technologies and applications", S. Procureur, Nucl. Instr. & Meth. A878 (2018), 169

L'objectif final de cette thèse est la réalisation de la toute première image 3D d'un réacteur nucléaire par une méthode non-invasive, en l’occurrence la muographie. Cette technique d’imagerie pénétrante a bénéficié d’améliorations technologiques majeures ces dernières années, notamment grâce aux innovations issues du CEA. Les télescopes à muons ont ainsi révélé des images 2D inédites de très grandes structures comme la pyramide de Kheops ou un réacteur nucléaire. Récemment un algorithme combinant ces images 2D en une tomographie 3D a été mis au point et testé avec succès, malgré le faible nombre de projections et l’immense taille du système matriciel associé. Le travail de cette thèse consistera à appliquer cet algorithme à des mesures en cours auprès d’un réacteur en démantèlement. L’étudiant(e) participera activement aux prises de données, à leur analyse et aux simulations associées. Il/Elle testera d’abord cet algorithme sur des objets plus petits, notamment des fûts de déchets dans des environnements divers, dans le but de comprendre et d’optimiser le fonctionnement de l’algorithme. Ces étapes intermédiaires, au-delà de leur intérêt propre, permettront de mieux déterminer les différents paramètres de l’algorithme mais aussi des futures prises de vue auprès du réacteur (positions, orientations, temps de pause respectifs, etc.). A travers l’ensemble de ces travaux, l’objectif est ainsi de développer un outil d’imagerie 3D générique totalement novateur dans le secteur de l’assainissement et du démantèlement, mais qui trouvera naturellement de nombreuses autres applications sociétales et académiques.
Mesure de la diffusion de bosons de jauge a haute energie, avec le detecteur ATLAS au LHC

SL-DRF-21-0369

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

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Atlas (ATLAS)

Saclay

Contact :

Maarten Boonekamp

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2021

Contact :

Maarten Boonekamp
CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas


Directeur de thèse :

Maarten Boonekamp
CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas


Le processus de diffusion de bosons vecteurs, pp’VV+jj+X, ou V=W,Z, est caracterise par la presence dans l'etat final de leptons provenant de la desintegration du W ou du Z, et de jets de haute energie a l'avant du detecteur. Les processus de diffusion de WW, WZ and ZZ ont tous ete observes au Run2, avec des echantillons partiels. La prochaine etape pour la communaute, dans ce domaine, est d'affiner la visibilite du signal grace a des selections d'evenement amelioree, une meilleure rejection du bruit de fond, et des echantillons plus importants.

On pourra alors confronter les predictions du Modele Standard avec le resultat de l'analyse des donnees.

Cette mesure constitue un test essentiel du couplage entre le boson de Higgs et les bosons vecteurs, et du Modele Standard dans son ensemble.

Mesure de la luminosité du LHC avec le calorimètre à argon liquide d’ATLAS et recherche de particules lourdes à longue durée de vie

SL-DRF-21-0321

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

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Atlas (ATLAS)

Saclay

Contact :

Philippe Schwemling

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021

Contact :

Philippe Schwemling
CEA - DRF/IRFU/DPHP/Atlas

33 1 69 08 85 85

Directeur de thèse :

Philippe Schwemling
CEA - DRF/IRFU/DPHP/Atlas

33 1 69 08 85 85

Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les efforts des expériences LHC sont focalisés sur la recherche de

phénomènes nouveaux, au-delà du Modèle Standard. Un des aspects importants dans la comparaison entre les observations

et la théorie est d’être capable de normaliser aussi précisément que possible les observations par rapport à la théorie,

donc de mesurer aussi précisément que possible la luminosité de l’accélérateur. L’objectif est d’atteindre une précision

meilleure que 1% au cours des prochaines années, ce qui est un facteur deux à trois meilleur que la précision atteinte

actuellement.



Lors du redémarrage du LHC début 2022, il est prévu d’accroître la luminosité de la machine d’un facteur deux environ.

Pour exploiter au mieux cette augmentation de luminosité, le système de déclenchement du calorimètre a été largement revu. Il sera basé sur l’analyse en temps réel des signaux numérisés à la volée, par des batteries de composants programmables.

Une caractéristique importante de ce nouveau système de déclenchement est sa capacité à mesurer pour chaque collision

entre deux paquets de protons l’énergie totale déposée dans le calorimètre. Combiné à la stabilité, l’excellente

linéarité et à l’uniformité de réponse du calorimètre à argon liquide d’ATLAS, le nouveau système de déclenchement offre

le potentiel d’une mesure de la luminosité avec d’excellentes caractéristiques en termes de linéarité et de stabilité.

Une voie très prometteuse est l’utilisation de réseaux de neurones, qui peuvent avoir vocation à être implémentés

directement dans le FPGA assurant le traitement des données numérisées.



Une autre caractéristique du système de déclenchement est sa capacité unique à garder trace de l’historique des

interactions dans le détecteur sur un temps nettement plus long que ce que peut faire le système de lecture central.

Ceci permettra à terme, pour les prises de données prévues au-delà de 2025 de compenser en temps réel l’effet de la

charge d’espace générée sur la mesure d’énergie du détecteur. Surtout, cette caractéristique ouvre la possibilité de

détecter des particules dont la désintégration survient longtemps (plusieurs dizaines ou centaines de ns, à comparer

aux 25 ns entre deux croisements consécutifs) après leur création, donc lentes et très massives, presque jusqu’à la

limite cinématique de 7 TeV, bien au-dessus de la limite atteignable par des techniques de recherche plus classiques. De

telles particules apparaissent dans de nombreuses classes de modèles supersymétriques.
Mesure de la masse du boson W avec le détecteur ATLAS au LHC

SL-DRF-21-0367

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

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Atlas (ATLAS)

Saclay

Contact :

Maarten Boonekamp

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2021

Contact :

Maarten Boonekamp
CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas


Directeur de thèse :

Maarten Boonekamp
CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas


L'objectif de la thèse est une mesure précise d’un paramètre fondamental du Modèle Standard de la physique des particules, la masse du boson W, en étudiant ses désintégrations leptoniques, avec le détecteur ATLAS au LHC. L'analyse sera basée sur un lot de données à bas taux d'empilement, collecté spécialement pour cette mesure. Ces données ont une luminosité limitée, mais une résolution optimale pour la reconstruction de l'énergie transverse manquante, ce qui est une condition nécessaire pour l'analyse d'états finals avec des neutrinos.



Le candidat s'impliquera dans l'installation et la mise en route de la "New Small Wheel", nouveau détecteur à muons équipant la partie avant d'ATLAS. L'IRFU a joué un rôle prépondérant dans sa construction et s'impliquera fortement dans son exploitation scientifique. Il s'agira de plus de calibrer l'instrument avec une précision suffisante pour la mesure. La deuxième phase du projet consiste à améliorer la modélisation du processus de production et de désintégration des bosons W et d'optimiser l'analyse en tant que telle afin de minimiser l'incertitude finale de la mesure. Le résultat de la mesure sera interprété en termes de compatibilité avec la prédiction du Modèle Standard ou comme indication de la présence de nouvelle physique.

Physique de précision du boson Z avec le détecteur Atlas au LHC

SL-DRF-21-0105

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

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Atlas (ATLAS)

Saclay

Contact :

Fabrice Balli

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2021

Contact :

Fabrice Balli
CEA - DRF/IRFU/DPHP/Atlas

+33169081715

Directeur de thèse :

Fabrice Balli
CEA - DRF/IRFU/DPHP/Atlas

+33169081715

Labo : http://irfu.cea.fr/Spp/index.php

La the`se de´butera a` l'automne 2021. ATLAS, l'une des expe´riences majeures du LHC au CERN, se pre´pare a` l'augmentation de luminosite´ attendue au Run3 et au HL-LHC. La premie`re partie de la the`se est consacre´e a` une ta^che de qualification qui pourrait consister soit a` participer a` la mise en service des nouveaux de´tecteurs de muons de l'expe´rience, soit a` participer a` l'effort d'e´talonnage des impulsions des muons en vue du Run3, qui de´butera en 2022. Les deux options sont e´troitement lie´es au sujet principal de la the`se. La the`se sera suivie par une mesure de physique de pre´cision dans le domaine du boson Z avec les donne´es d'ATLAS.

Le sujet se concentre sur la physique de pre´cision e´lectrofaible dans ATLAS. Le but est de mesurer avec la meilleure pre´cision possible l'angle de me´lange e´lectrofaible, ainsi que la masse du boson Z, en utilisant les donne´es Run2 et Run3. Le canal explore´ est celui du boson Z se de´sinte´grant en une paire muon-antimuon. L'e´tudiant travaillera sur l'e´talonnage de l'impulsion des muons en utilisant la re´sonance J/Psi comme chandelle standard, et re´duira e´galement, gra^ce a` des me´thodes d'ajustement avance´es, les incertitudes lie´es aux fonctions de distribution des partons (PDF). Ces mesures devraient conduire a` une forte ame´lioration de l'ajustement e´lectrofaible et ainsi contraindre conside´rablement le Mode`le Standard, ainsi que la physique au-dela` du Mode`le Standard.



Le groupe ATLAS au CEA Paris-Saclay participe à plusieurs améliorations du détecteur à moyen et long terme: le remplacement d’une partie des chambres à muons du spectromètre à muons (New Small Wheel), l’amélioration du système de déclenchement du calorimètre électromagnétique, ainsi que le remplacement du système interne de détection des traces chargées (ITK). Il a une expertise mondialement reconnue en physique de précision électrofaible, à savoir avec les mesures de sections efficaces des bosons Z, W et de Higgs ainsi qu’à travers la mesure de masse du boson W, réalisée pour la première fois au LHC. Cette expertise repose sur de solides compétences dans la reconstruction des muons et l’alignement du spectromètre à muons, ainsi que dans l’identification des électrons et des photons.

Recherche d'axion solaires avec l'International Axion Observatory avec des détecteurs Micromegas

SL-DRF-21-0302

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

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

DÉtecteurs: PHYsique et Simulation (DEPHYS)

Saclay

Contact :

Thomas PAPAEVANGELOU

Esther FERRER RIBAS

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021

Contact :

Thomas PAPAEVANGELOU
CEA - DRF/IRFU/DEDIP/DEPHYS

01 69 08 2648

Directeur de thèse :

Esther FERRER RIBAS
CEA - DRF/IRFU/DEDIP/DEPHYS

0169083852

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

Labo : http://irfu.cea.fr/dedip/index.php

Voir aussi : https://iaxo.web.cern.ch/content/home-international-axion-observatory

Axions were introduced as the most promising solution in explaining the absence of Charge-Parity symmetry violation in the strong interaction. These neutral, very light particles, interact so weakly with ordinary matter that they could contribute to the Dark Matter. Axion search techniques rely on their interaction with photons. Helioscopes search for axions produced in the solar core by the conversion of plasma photons into axions giving rise to a solar axion flux at the Earth surface, with energy spectrum at the region 1-10 keV.

The International Axion Observatory (IAXO) will achieve a signal-to-background ratio of about 4-5 orders of magnitude better than most sensitive experiments today. BabyIAXO, an intermediate experimental stage of IAXO, will be hosted at DESY (Germany). BabyIAXO is conceived to test all IAXO subsystems (magnet, optics and detectors) at a relevant scale for the final system and thus serve as prototype for IAXO, but at the same time as a fully-fledged helioscope with relevant physics reach in itself, and with potential for discovery. IAXO and BabyIAXO will be equipped with X-ray optics coupled to low background X-ray detectors. The required levels of background are extremely challenging, a factor 10 better than current levels.

The PhD will work on the X-ray detector development in particular of the new generation of Micromegas detectors. The development will be focused on the optimization of the background level by a multi-approach strategy coming from ground measurements, screening campaigns of components of the detector, underground measurements, background models, in-situ background measurements as well as refinement of rejection algorithms. Physics analysis of BabyIAXO data is expected in the last year of the PhD.

Recherche de la production de quatre et trois quarks top dans le canal multilepton au sein de l’expérience ATLAS

SL-DRF-21-0366

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

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Atlas (ATLAS)

Saclay

Contact :

Frédéric DELIOT

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021

Contact :

Frédéric DELIOT
CEA - DRF/IRFU

0169086628

Directeur de thèse :

Frédéric DELIOT
CEA - DRF/IRFU

0169086628

Le sujet de thèse proposé a pour but d’observer pour la première fois la production de quatre quarks top (tttt) en utilisant une signature multilepton dans les données collectées avec l’expérience ATLAS. La production de quatre quarks top est un des états finaux les plus spectaculaires accessibles au LHC. Étant attendue comme petite dans le modèle standard, la section efficace tttt peut être beaucoup plus grande dans des scenarii de nouvelle physique. Le processus tttt est aussi sensible aux propriétés fines du couplage de Yukawa entre le quark top et le boson de Higgs. Étudier cette classe d'événements sera crucial dans les années à venir pour comprendre la vraie nature de l’interaction Higgs-top et potentiellement révéler de subtiles déviations par rapport au modèle standard.

Plusieurs innovations seront explorées pour parvenir à observer le processus tttt. D’abord une meilleure séparation entre le signal et les différents bruits de fond sera étudiée en utilisant des méthodes d’intelligence artificielle et par une meilleure compréhension du bruit de fond ttW. Un autre axe de développement sera mis en œuvre basé sur la possibilité de reconstruire les différents quarks top de l’état final, ce qui est particulièrement ambitieux dans ce canal.

Atteindre une mesure du processus tttt permettra d’étudier une propriété clé de l’interaction entre le quark top et le boson de Higgs: le nature CP du couplage Higgs-top. Enfin le processus tttt devra être séparé de la production de trois quarks top, production qui est totalement inexplorée expérimentalement à l’heure actuelle.

Étude de méthode d’intelligence artificielle pour la simulation et l’extraction de la production du boson de Higgs se désintégrant en deux muons dans l’expérience ATLAS au LHC

SL-DRF-21-0478

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

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Atlas (ATLAS)

Saclay

Contact :

RODANTHI NIKOLAIDOU

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2021

Contact :


-


Directeur de thèse :

RODANTHI NIKOLAIDOU
CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas

0169086157

Les nouvelles techniques d’intelligence artificielle suscitent un intérêt croissant pour gérer le volume massif de données collectées par les expériences de physique des particules en particulier au collisionneur LHC. Cette thèse propose d’étudier ces nouvelles techniques pour la simulation du bruit de fond d’événements rares provenant de la désintégration en deux muons du boson de Higgs ainsi que de mettre en place de nouvelle méthode d’intelligence artificielle pour extraire ces événements rares du gigantesque bruit de fond dimuon.

En 2012, le boson de Higgs, élément fondamental du modèle standard de la physique des particules a été découvert au LHC. La mise en évidence de sa désintégration en dimuon est maintenant au cœur du programme du LHC afin de mesurer le couplage du boson de Higgs aux particules de 2ème génération.

Simuler le bruit de fond dimuon avec suffisamment de statistique est la première challenge de cette analyse. La thèse se propose de tester, pour la première fois, l’utilisation de modèles d’intelligence artificielle très prometteurs comme méthode de simulation en utilisant des « Generative Adversarial Networks (GANs) ” avec une architecture à deux réseaux en concurrence. De plus, la thèse prévoit également un re-design complet de l’analyse afin de mettre en place de nouvelles méthodes de traitement de données (Deep Neural Networks) pour optimiser l’extraction du faible signal.

 

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