Les sujets de thèses

Dernière mise à jour : 01-07-2016

14 sujets IRFU

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• Physique des particules

14 réponse(s)

Détecteur Pixel MOS à Grille Piégeante

SL-DSM-16-0377

Domaine de recherche : Physique des particules

Laboratoire d'accueil :

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

DÉtecteurs: PHYsique et Simulation (DEPHYS)

Saclay

Contact :

Nicolas FOURCHES

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2016

Contact :

Nicolas FOURCHES

CEA - DSM/IRFU/SEDI/DEPHYS

0169086164

Directeur de thèse :

Nicolas FOURCHES

CEA - DSM/IRFU/SEDI/DEPHYS

0169086164

Voir aussi : “A novel CMOS detector based on a deep trapping gate”, Nicolas T. Fourches, Nuclear Science Symposium Conference Record (NSS/MIC, 2010), p 655-658, Oct. 30 2010-Nov. 6, 2010, Knoxville, Tennessee. : 10.1109/NSSMIC.2010.5873840); http://dx.doi.org/10.1109/NSSMIC.2010.5873840 ; “Semiconductor Device“, US Patent Application 12640565, Filed 17, 2009, Issued 3 May 2011,US Patent US7936018, Commissariat à L’Energie Atomique, inventor : Nicolas Fourches, Les Ulis, www.google.com/patents/US7936018

Motivations



Une des motivations première de cette proposition de thèse provient de la physique des particules. Les détecteurs de vertex actuels ne satisfont pas la plupart des exigences techniques requises en particulier en termes de compacité et de vitesse, de résolution point à point en dépit de progrès réalisés avec des capteurs CMOS, en ce qui concerne la résolution spatiale. Récemment I'IRFU a proposé un nouveau dispositif fondé sur les principes de fonctionnement différents du capteur CMOS. La principale caractéristique de ce dispositif est d'éliminer la diode de collecte remplacée par une grille de type nouveau, nommée ici grille piégeante (DTG, ou Deep Trapping Gate), donnant naissance à un nouveau dispositif MOS, le TRAMOS (Trapping Mos). Cela conduit à réduire significativement les dimensions du pixel, par l’empilement du transistor de lecture et de l’électrode de détection et l’élimination du transistor de polarisation. Des simulations ont montré la validité du principe [1-2]. Les applications en dehors de la physique de base pourraient inclure l'imagerie, de la lumière visible aux photons X, surtout quand une tolérance élevée aux radiations ionisantes et non ionisantes est requise. De par sa compacité et son mode de fonctionnement pour la première variante, la tolérance aux défauts de déplacements devrait être beaucoup plus grande que pour les capteurs CMOS classiques (MAPS [3]).

Les autres technologies étudiées jusqu'à présent sont basées sur les capteurs CMOS (pour lequel l'Irfu / Saclay a été impliqué), les CCD et la DEPFET (FET déserté). Le capteur CMOS utilise une diode pn en tant qu’élément détecteur. Le DEPFET utilise la modulation du canal par la charge localisée dans un puit de potentiel, et les CCD le transfert de charge entre deux cellules voisines. La seule technologie pixel qui soit implémentée à une large échelle est cela basée sur l’hybridation d’un détecteur silicium sur un puce silicium, mais la taille de ces détecteurs limite leur résolution spatiale, malgré de bonnes performances en vitesse de lecture. Ces technologies une à une ne satisfont pas toutes les contraintes réunies : vitesse, réduction des dimensions et tolérance aux rayonnements an particulier hadroniques. Jusqu'à présent, seuls les détecteurs CMOS entièrement intégrés à l’électronique de lecture ont une résolution spatiale suffisante malgré une tolérance aux défauts de déplacement trop limitée. Une solution globale bonne pour les détecteurs pixels devrait être un point de départ pour un développement réussi, le TRAMOS est alors une solution. D’autres pixels basés sur des matériaux dont les défauts d’irradiation peuvent recuire à des températures suffisamment basses comme le germanium sont une alternative crédible qui pourra être étudiée parallèlement aux détecteurs TRAMOS, essentiellement par simulation si le temps et les moyens le permettent.



CONTENU DU TRAVAIL DE THESE :



Les trois années devraient principalement être dévolues au développement technologique de ces structures de détection, en utilisant principalement les facilités fournies par certaines plates-formes technologiques (CNRS-CEA). Le travail proposé devrait inclure des simulations TCAD (technologiques) et les mesures des structures de test et sous certaines conditions l’étude des effets des rayonnements sur les (s) dispositifs développés. A l'issue de cette période, le (la) candidat(e) aura acquis des connaissances nouvelles et une expérience certaine dans les domaines de la détection de particules et de la physique et technologie des semiconducteurs. Les caractérisations électriques et structurales des dispositifs seront nécessaires au cours de l'avancement du travail de thèse en collaboration avec les laboratoires partenaires. Après quoi, plus fondamentalement, le (la) candidate devra simuler physiquement le fonctionnement d’un tel détecteur et évaluer son potentiel pour la physique des particules, le collisionneur linéaire international (ILC) étant l'objectif principal, les futures expériences LHC étant un objectif à court terme. D'autres applications de ces technologies sont l'astrophysique, la physique nucléaire et de physique médicale. Une bonne formation en physique fondamentale sera nécessaire, ou devrait être acquise au cours de l'avancement des travaux en vue de défendre le travail sous la forme d’une thèse générale et d’importance. Un des buts du travail de ce travail est d’obtenir des éléments permettant de déterminer quel type de pixel est le plus adapté à court et à long termes aux exigences de la physique des particules, au cours du travail, de thèse il devrait être possible de choisir entre un développement final pour deux variantes de départ de pixels TRAMOS. Dans un premier temps le travail de thèse concernera l’étude préalable de deux options permettant le fonctionnement du TRAMOS. Au préalable un travail expérimental de petite ampleur devra être fait pour s’assurer de fonctionnalité physique de la grille piègeante, au moyen de mesures électriques et optiques essentiellement.

[1] “A novel CMOS detector based on a deep trapping gate”, Nicolas T. Fourches, Nucl. Sci. Symp. Conf. Rec. (NSS/MIC, 2010), p 655-658, 2010, Knoxville, Tennessee: http://10.1109/NSSMIC.2010.5873840

[2] “Silicon MOS Pixel Based on the Deep Trapping Gate Principle: Design and Material Science Challenges”, Nicolas T. Fourches et al. http://arxiv.org/abs/1412.8043

[3] “Device simulation of Monolithic Active Pixel Sensors: Radiation damage effects”, NT. Fourches, Nuclear Science Symposium Record, Pages 2523-2529, and in IEEE Transactions On Nuclear Science, Vol. 56, No.6, December 2009, Pages 3743-3751, http://10.1109/TNS.2009.2031540









Développement de détecteurs Micromegas pour une TPC au Xénon gazeux sous pression, dans le cadre de l'expérience PandaX-III de détection d'événements double-beta sans neutrino

SL-DSM-16-0698

Domaine de recherche : Physique des particules

Laboratoire d'accueil :

Service de Physique Nucléaire (SPhN)

Groupe COMPASS

Saclay

Contact :

Damien NEYRET

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2016

Contact :

Damien NEYRET

CEA - DSM/IRFU/SPhN/LSN

01 69 08 75 52

Directeur de thèse :

Damien NEYRET

CEA - DSM/IRFU/SPhN/LSN

01 69 08 75 52

Voir aussi : http://irfu.cea.fr/index.php

Depuis toujours le neutrino est entouré d'une aura de mystère et de complexité. Sa nature n'est pas encore déterminée, du fait de sa neutralité, le neutrino peut être identique à son antiparticule (dans ce cas on dit que le neutrino est une particule de Majorana, une particule de Dirac dans le cas contraire). Si le neutrino est de Majorana, alors un processus interdit par le Modèle Standard devient possible: la double désintégration beta sans émission de neutrino. L'expérience proposée PandaX-III consiste à mesurer la cinématique d'événements de désintégration double-beta de noyaux de Xénon 136 dans une grande masse de Xénon gazeux à 10 bars, afin de distinguer la réaction recherchée des différents bruits de fonds (double-beta classique, contamination d'autres noyaux radioactifs, rayons cosmiques). Cette expérience prendra place dans le laboratoire souterrain de JinPing (province du Sichuan, Chine) à partir de 2017 avec un premier module de 200 kg de Xénon, pour arriver àexplorer une masse de 1 tonne avec 5 modules vers 2022. D'importants efforts devront être accomplis pour atteindre une très bonne résolution en éner gie de la mesure de la cinématique, afin de séparer le signal des différents bruits de fonds, ainsi qu'une excellente pureté radiologique du dispositif expérimental.



Afin de mesurer les événements de désintégration, le volume de Xénon gazeux va former une chambre à projection temporelle (Time Projection Chamber, TPC), avec un étage de détection formé de détecteurs gazeux à micro-structure Micromegas. Les électrons de ionisation créés dans la TPC par l'événement de désintégration dérivent vers les détecteurs sous l'action d'un champ électrique, puis traversant une micro-grille ils sont amplifiés grâce à un champ important dans l'espace étroit entre la grille et le plan d'anodes de lecture. Au sein de la collaboration PandaX-III l'IRFU va plus spécifiquement travailler sur le développement de détecteurs Micromegas à grande résolution en énergie et avec une bonne résolution spatiale, ainsi que sur l'électronique de lecture. L'IRFU possède en effet une très grande expérience de ces détecteurs et de l'électronique de lecture à bas bruit nécessaire à leur fonctionnement, du fait de son rôle pionnier dans leurs développements depuis la fin des années 1990. Plusieurs axes de recherche ont été définis pour la conception des détecteurs de PandaX-III: mise en \u0153uvre de détecteurs Micromegas Micro-bulk qui présentent naturellement une très bonne résolution en énergie et qui seront certainement utilisés pour le premier module, développement de détecteurs Micromegas à micro-grille ultra-fine, plus robuste et de plus grande taille, et exploration d'une solution de détection sans amplification avec une électronique de lecture à très bas bruit.



Au sein des équipes du SPhN et du SEDI (Service d'électronique des Détecteurs et d'Informatique) le doctorant participera dans un premier temps aux évaluations des performances de détecteurs Micro-bulk et de leur électronique de lecture dans un environnement gazeux sous pression, puis à la réalisation et la mise en oeuvre des détecteurs pour le premier module. Ce travail inclura le suivi et l'évaluation des performances des détecteurs et de l'électronique en collaboration avec nos partenaires des universités de Saragosse et de Shanghai, ainsi que l'installation sur place et l'analyse des premières données du dispositif expérimental. En parallèle le doctorant participera aux R&D sur les Micromegas à grille fine et sur les détecteurs sans amplification. L'optimisation du design des différents détecteurs et leur adaptation à l'expérience demandera au doctorant de consacrer une partie de son travail à une simulation numérique Monte Carlo de leur fonctionnement que ce soit spécifiquement pour l'étage de détection, ou pour l'ensemble du dispositif expérimental.

ETUDE D’UN DETECTEUR DE TEMPS VOL DE HAUTE RESOLUTION TEMPORELLE ET SPATIALE BASE SUR LA TECHNOLOGIE MICROMEGAS POUR LE LHC A HAUTE LUMINOSITE ET APPLICATION A LA REDUCTION DE L’EFFET D’EMPILEMENT DES COLLISIONS DANS LES ANALYSES DE PHYSIQUE AVEC LE DETECTEUR ATLAS

SL-DSM-16-0163

Domaine de recherche : Physique des particules

Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Atlas (Atlas)

Saclay

Contact :

Claude GUYOT

Date souhaitée pour le début de la thèse :

Contact :

Claude GUYOT

CEA - DSM/IRFU/SPP

01 69 08 55 74

Directeur de thèse :

Claude GUYOT

CEA - DSM/IRFU/SPP

01 69 08 55 74

Dans le contexte de l'amélioration du détecteur ATLAS pour le run a très haute luminosité du LHC qui commencera vers 2025, le doctorant travaillera sur le développement d'un détecteur de temps de vol a très haute résolution temporelle (<30 ps) et de haute granularité spatiale (de l'ordre du mm) basé sur la technique de chambre MicroMegas. L'objectif de ce détecteur est l’amélioration de l'identification du vertex primaire de l'interaction proton-proton au milieu de l'empilement de près de 200 collisions par croisement de paquets de protons attendu au HL-LHC. Un des enjeux a relever sera la tenue au radiations d'un tel détecteur.
Etude de l'autocouplage du boson de Higgs dans le canal reconstruit HH -> bb gammagamma dans CMS

SL-DSM-16-0426

Domaine de recherche : Physique des particules

Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe CMS (CMS)

Saclay

Contact :

Serguei GANJOUR

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2016

Contact :

Serguei GANJOUR

CEA - DSM/IRFU/SPP/CMS

Directeur de thèse :

Serguei GANJOUR

CEA - DSM/IRFU/SPP/CMS

The limits for the observation of the production of resonant and non resonant Higgs pair

reconstructed into two b-jets and two photons(HH’bbgammagamma) are being established by CMS for RUN-1 of the LHC at 8 TeV. The HH’bbgammagamma’reconstruction using the future RUN-2 data at 13 TeV with the CMS detector will allow the study of the Higgs self coupling, its coupling to the top quark, and the Yukawa top coupling.

Maîtriser la production d'antiatomes

SL-DSM-16-0036

Domaine de recherche : Physique des particules

Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Antihydrogène

Saclay

Contact :

Patrice PEREZ

Pascal DEBU

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2016

Contact :

Patrice PEREZ

CEA - DSM/IRFU/SPP/Anti-H

0169083583

Directeur de thèse :

Pascal DEBU

CEA - DSM/IRFU

0169081399

Voir aussi : http://gbar.web.cern.ch/GBAR/

Cette thèse se place dans le cadre de l’expérience GBAR au CERN dont l’objectif est de mesurer l’accélération de la pesanteur sur l’antihydrogène. C'est un test direct du principe d'équivalence de la Relativité Générale avec l'antimatière. S'il n'est pas vérifié, cela remettrait en cause la théorie de la gravitation. Cette expérience a été initiée par des physiciens du CEA. La spécificité de l’expérience GBAR est d’utiliser des ions antihydrogène positifs pour produire des atomes d’antihydrogène ultra-froids, permettant une mesure précise de leur chute libre. La température visée est bien en deçà de ce qui a été réalisé jusqu'à présent avec l'antihydrogène. La difficulté est de produire les ions antihydrogène en quantité suffisante : il faut faire interagir des antiprotons sur un nuage de positronium, état lié d’un électron et d’un positron et exploiter les deux réactions successives :

a) antiproton + positronium -> antihydrogène + électron

b) antihydrogène + positronium -> ion antihydrogène + électron

L'expérience induit des développements technologiques de pointe pour la production de positrons et de positronium (qui ont conduit au lancement d'une start-up) et pour le refroidissement des antiatomes.

Le taux de production d'antihydrogène avec ces réactions n’a jamais été mesurée.

Seule la contrepartie matière de la première réaction (proton + positronium -> hydrogen + positron) a été observée avec 211 événements. Il n’existe donc que des estimations théoriques du taux de production d’ions antihydrogène pour l’expérience. Ces estimations sont entachées de grandes incertitudes, s’agissant d’interactions à trois (réaction a) et quatre corps (réaction b) à basse énergie.

L’objet de la thèse est de mesurer les sections efficaces en fonction de l’énergie incidente des antiprotons et du niveau d’excitation du positronium cible, car les calculs indiquent une forte dépendance dans ces deux paramètres. Ces mesures sont essentielles pour valider les calculs théoriques et surtout pour optimiser les conditions expérimentales pour GBAR. En effet, les calculs indiquent que le taux de production global augmente de plusieurs ordres de grandeur à basse énergie, mais l'acceptance du faisceau d'antiprotons dans la chambre de réaction, elle, au contraire, décroît très vite.

La mesure de la contrepartie matière de la première réaction est en préparation à Saclay comme étape préliminaire. Elle fait l’objet d’une thèse en cours. Le sujet de thèse couvre donc la mesure de la contrepartie matière de la seconde réaction (b), puis la mesure des réactions avec l’antimatière, le tout au CERN.

GROUPE/LABO/ENCADREMENT

L’équipe d’accueil comprend six physiciens dont le porte-parole de la collaboration, et deux étudiants en thèse. Les mesures proposées sont financées partiellement par l’ANR ANTION. GBAR est une collaboration internationale rassemblant une cinquantaine de physiciens de seize laboratoires.

TRAVAIL PROPOSE

Au démarrage de la thèse, l’expérience sera en cours d’installation au CERN. L’étudiant participera à la préparation de l’expérience (octobre 2016 - mi 2017). Ce travail couvrira le montage des détecteurs ainsi que des calculs de simulation de l’expérience. Les mesures avec des protons et leur analyse suivront : estimation des efficacités, des bruits de fond, calcul des sections efficaces et comparaison avec les mesures à Saclay et les prédictions théoriques. Ces mesures s’étaleront sur 2017 et 2018. Les mesures systématiques avec les antiprotons démarreront à partir du deuxième semestre 2018 quand le faisceau d’antiprotons sera opérationnel. Les résultats seront présentés en conférence et publiés.

FORMATION ET COMPÉTENCES REQUISES

L’étudiant doit avoir une formation en physique corpusculaire expérimentale. Il devra acquérir des compétences en programmation et en instrumentation, et saura travailler en équipe.

COMPÉTENCES ACQUISES

À l’issue de la thèse, l’étudiant aura acquis des connaissances en physique fondamentale (physique des particules et physique atomique), en instrumentation (techniques d’ultra-vide, détecteurs de traces, lasers, électronique) et en programmation. Il aura travaillé dans un milieu international très compétitif.

COLLABORATIONS/PARTENARIATS

La réalisation de l’expérience est conduite comme un projet international. Une grande partie du travail sera effectué au CERN.

CONTACTS

Scientifique :

P. Debu (direction de la thèse) pascal.debu@cea.fr, L. Liszkay (coordinateur de l’ANR ANTION) laszlo.liszkay@cea.fr, P. Pérez (porte-parole de l’expérience) patrice.perez@cea.fr.



Mesure absolue des spectres antineutrinos produits par un réacteur nucléaire à eau pressurisée avec l'expérience Double Chooz

SL-DSM-16-0038

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 : 01-10-2016

Contact :

Matthieu Vivier

CEA - DSM/IRFU/SPP

0169086626

Directeur de thèse :

Thierry Lasserre

CEA - DSM/IRFU/SPP

0169083649

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

Voir aussi : http://doublechooz.in2p3.fr/Status_and_News/status_and_news.php

Initiée et portée par l'IRFU, Double Chooz est l’une des trois expériences dans le monde situées auprès de réacteurs nucléaires et dédiées à la mesure des oscillations des neutrinos. Elle mesure la probabilité de disparition des antineutrinos électroniques, émis en grande quantité par les deux réacteurs de la centrale de Chooz dans les Ardennes. Deux détecteurs sont utilisés pour faire cette mesure. Le premier détecteur, dit lointain, est situé à environ 1 km des cœurs de réacteurs, distance à laquelle la probabilité de disparition est voisine du premier maximum d'oscillation. Le second détecteur, dit proche, est situé à 400 m des cœurs, distance à laquelle la probabilité d’oscillation est petite. La comparaison des spectres lointain et proche permet alors d’extraire de manière précise le paramètre theta_13 gouvernant ces oscillations, tout en minimisant les incertitudes de mesure.

Outre cette mesure, l’expérience Double Chooz a le potentiel de mesurer précisément la forme et la normalisation absolue des spectres antineutrinos produit par un réacteur nucléaire à eau pressurisée (ci-après spectres/flux d'antineutrinos de réacteur). Les antineutrinos de réacteur résultent de la superposition de milliers de branches beta associées aux décroissances des produits de fission. Leur spectre en énergie s'étend typiquement de 0 à 10 MeV. Des calculs théoriques existent mais restent cependant très incertains, et présentent des désaccords dans la région de 4 à 6 MeV par rapport aux mesures publiées, notamment celle par Double Chooz utilisant uniquement le détecteur lointain. Plusieurs arguments sont avancés pour expliquer ces désaccords et questionnent principalement les modèles utilisés pour prédire le flux de neutrinos attendu. Un autre argument, encore peu exploré, concerne l’étalonnage de la réponse du détecteur en énergie. En effet, celle-ci reste peu contrainte dans la région de 3 à 8 MeV et s’appuie sur des extrapolations de mesures faites dans la région de 0.5 à 3 MeV.

L’objectif de ce sujet de thèse est double: concevoir une source radioactive permettant d'étalonner les détecteurs de Double Chooz dans le domaine d’énergie situé entre 3 et 8 MeV, et analyser les données de ces deux détecteurs pour fournir une mesure des spectres antineutrinos de réacteur, à la fois en norme et en forme. Le sujet proposé ici porte sur des travaux de recherche fondamentale novateurs, à la frontière entre physique des particules et physique nucléaire. L'étalonnage d'un détecteur à liquide scintillant tel que Double Chooz dans ce domaine d'énergie serait une première. Il permettra de fournir pour la première fois une mesure précise et robuste d'un spectre antineutrino de réacteur. A l'heure où la physique des neutrinos mobilise des efforts grandissants, la portée des travaux proposés sera multiple et d'une grande visibilité. En effet, cette mesure aura à la fois un impact sur des sujets de physique fondamentale utilisant les antineutrinos de réacteur, comme la recherche de neutrinos stériles ou la détermination de la hiérarchie de masse des neutrinos, mais aussi sur des sujets de recherche appliquée intéressants par exemple l'AIEA, comme la surveillance des réacteurs nucléaires avec la mesure de leur flux d'antineutrinos.
Mesure de l'asymétrie avant-arrière dans les désintégrations leptoniques du Z avec le détecteur Atlas au LHC. Détermination de l'angle faible et contraintes sur la structure du proton.

SL-DSM-16-0781

Domaine de recherche : Physique des particules

Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Atlas (Atlas)

Saclay

Contact :

Nathalie Besson

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2016

Contact :

Nathalie Besson

CEA - DSM/IRFU/SPP/Atlas

0169088274

Directeur de thèse :

Nathalie Besson

CEA - DSM/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'incertitudes 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; et l'extraction de l'angle de mélange avec les données enregistrées par ATLAS a 13 TeV.

Mesure de la section efficace de production ttZ avec le détecteur CMS auprès du LHC et étude des performances du calorimètre électromagnétique de CMS

SL-DSM-16-0427

Domaine de recherche : Physique des particules

Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe CMS (CMS)

Saclay

Contact :

Federico Ferri

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2016

Contact :

Federico Ferri

CEA - DSM/IRFU/SPP/CMS

+33 1 69 08 30 65

Directeur de thèse :

Federico Ferri

CEA - DSM/IRFU/SPP/CMS

+33 1 69 08 30 65

The thesis proposes the measurement of the production cross-section of a Z boson in

association with a pair of top quarks. This channels is important for the study of the electroweak properties of the top quark within the Standard Model, which are yet inexplored to a large extent. In addition, the ttZ channel is important in searches for new physics with final states containing peculiar combinations of leptons and jets, for which ttZ is a background to be fully characterized. Already performed with the 7 and 8

TeV data, the measurement will become increasingly important at 13 TeV, the current center

of mass energy of the LHC. The first few years of the LHC Run2 are supposed to deliver order of 100 /fb of data, about 4 times more than what analysed during Run1. With beam conditions different with respect to Run1, i twill be important to study in detail the behaviour of the detector and optimize its performance, a work that has just began. Jet and missing energy resolution, btagging, precise lepton measurement will be the key ingredients for a successful measurement.
Mesure précise de la masse du boson W et de ses propriétés dans l’expérience CMS au LHC

SL-DSM-16-0428

Domaine de recherche : Physique des particules

Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe CMS (CMS)

Saclay

Contact :

elizabeth Locci

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2016

Contact :

elizabeth Locci

CEA - DSM/IRFU/SPP

0041227673965

Directeur de thèse :

elizabeth Locci

CEA - DSM/IRFU/SPP

0041227673965

Dans le cadre d’un modèle aussi prédictif que le modèle standard (SM), la mesure précise de

masse du boson W et de sa largeur est sensible aux corrections radiatives, et peut être utilisée pour valider la cohérence du modèle et placer des limites sur les prédictions pour une nouvelle physique au delà du modèle standard (BSM). Si cette dernière n’est pas directement observée au LHC, La mesure des propriétés du boson W pourrait devenir d’une importance capitale pour placer des limites sur l’existence de nouvelles particules qui se coupleraient au W. Au LHC, la masse du W est mesurée dans les canaux leptoniques (electron, muon), car ceux-ci sont identifiables avec une grande efficacité et une

faible contamination. Dans ces modes de désintégration, le lepton chargé est accompagné

d’un neutrino qui échappe à la détection. Seule l’impulsion transverse du neutrino peut être reconstituée par la conservation des impulsions dans le plan transverse. Il s’agira de la première thèse sur un sujet encore peu exploré dans l’expérience CMS.
Optimisation de l’analyse de l’expérience Double Chooz pour la mesure du paramètre d’oscillation ’13, la non-prolifération nucléaire et la recherche de neutrinos stériles

SL-DSM-16-0438

Domaine de recherche : Physique des particules

Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Double Chooz

Saclay

Contact :

Guillaume MENTION

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2016

Contact :

Guillaume MENTION

CEA - DSM/IRFU/SPP

0169085632

Directeur de thèse :

Guillaume MENTION

CEA - DSM/IRFU/SPP

0169085632

Voir aussi : http://irfu.cea.fr/Spp/Phocea/Pisp/index.php?nom=guillaume.mention

Voir aussi : http://irfu.cea.fr/Spp

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

Double Chooz est l’une des 3 expériences auprès de réacteurs nucléaires dans le monde dédiée à la mesure du paramètre ’13 d’oscillation des neutrinos. Alors que la précision atteinte sur ce paramètre est déjà bien avancée, il peut néanmoins subsister des biais dans les analyses. L’expérience Double Chooz a, jusqu’en 2014, uniquement utilisé un seul détecteur pour effectuer cette mesure. Un deuxième détecteur est entré en fonction en cette fin d’année 2014 et l’exploitation des données de ces 2 instruments devrait permettre de comprendre au maximum les biais potentiels systématiques dans la mesure de  ’13. Cette mesure faite par ces 3 expériences réacteur concurrentes sera probablement inégalée pendant de nombreuses années et le travail de fouille et de compréhension complète des systématiques réacteur, détecteur et des bruits de fond est essentielle pour assurer le résultat le plus juste et le plus précis possible.



L’étude de ces nouvelles données du détecteur proche de Double Chooz couplée avec les autres projets du groupe (Nucifer et CeSOX) réalisés en collaboration avec des équipes de la Direction de l’Énergie Nucléaire (DEN) et de la Direction des Applications Militaires (DAM), permettra également de mieux comprendre les neutrinos produits par le combustible des réacteurs et le potentiel de la détection des neutrinos pour la non-prolifération nucléaire. Ces études constituent un enjeu sociétal appliqué potentiellement important.



Enfin le dernier volet thématique de cette thèse porte sur un sujet de prospective fondamentale à fort impact aujourd’hui, à savoir la recherche de potentiels neutrinos stériles, sujet pour lequel le groupe a eu un impact notoire ces dernières années.



Les méthodes d’analyse sont communes et l’effort abouti pourra permettre des avancées importantes dans ces 3 domaines thématiques.



L’étudiant(e) rejoindra l’équipe du CEA de Saclay pour élaborer une analyse dite optimale des données. L’équipe du CEA a déjà une très bonne visibilité et reconnaissance pour la compréhension globale de l’analyse depuis le cœur des réacteurs jusqu’au courant électrique mesuré dans les photomultiplicateurs pour détecter les neutrinos. L’objectif de ce travail de thèse sera d’exploiter de façon optimum toute cette connaissance, jusqu’à présent parcellaire, afin d’extraire le maximum d’information de ces mesures. On empruntera pour cela des techniques modernes d’analyse de type Big Data, telles que les réseaux bayésiens fortement utilisés entre autres dans les analyses des réseaux sociaux, de reconnaissance vocale ou le traitement d’images.
Production de paires de bosons aupres de l'experience Atlas et recherche de "nouvelle physique" par la mesure précise des couplages de jauge des bosons.

SL-DSM-16-0367

Domaine de recherche : Physique des particules

Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Atlas (Atlas)

Saclay

Contact :

Ahmimed OURAOU

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2016

Contact :

Ahmimed OURAOU

CEA - DSM/IRFU/SPP

01 69 08 85 33

Directeur de thèse :

Ahmimed OURAOU

CEA - DSM/IRFU/SPP

01 69 08 85 33

Voir aussi : http://irfu.cea.fr/Spp/

Voir aussi : http://atlas.web.cern.ch/Atlas/Collaboration/

Avec la découverte du boson de Higgs au LHC, le modèle standard de la physique des particules permet de décrire l'ensemble des observations jusqu'à des échelles d'énergie de l'ordre du TeV. La montée en énergie du LHC en 2015 va permettre d'étendre cette région directement explorable, mais aussi, par des mesures de précision possibles grâce à la luminosité attendue, d'avoir accès à des effets de boucles de physique à plus haute énergie. Un domaine encore très peu étudié, les couplages entre bosons de jauge, est particulièrement intéressant car ces couplages (à 3 ou 4 bosons) sont contraints par la théorie de jauge, et toute déviation par rapport aux prédictions du modèle standard serait une signature de "nouvelle physique".

Le sujet de la thèse est la mesure de la section efficace de production de paires de bosons vecteurs (W et Z) se désintégrant en leptons avec le détecteur Atlas au LHC. Cette section efficace donne accès à la mesure du couplage à trois bosons. De plus, la section efficace dibosons en association avec deux jets vers l'avant (production par diffusion de bosons vecteurs VBS) donne accès aux couplages à 4 bosons.

L'objectif de la thèse est de mesurer précisément les couplages entre bosons, et d'en déduire des contraintes sur les extensions possibles du modèle standard. Un cadre prometteur pour une telle étude est de considérer le modèle standard comme une théorie des champs effective (développement limité d'un modèle plus général comme par exemple une théorie de grande unification) dont on déterminera (ou du moins contraindra) les paramètres à partir de nos mesures. L’intérêt d'une telle approche est son indépendance par rapport aux modèles de nouvelle physique. De plus, on peut combiner différentes mesures (couplages bosoniques de cette thèse, couplage du Higgs et couplages leptoniques du LEP) pour mieux contraindre les paramètres de la théorie effective comme montré sur la figure jointe.
RECHERCHE AVEC LE DETECTEUR ATLAS DE LA PRODUCTION AU LHC DE PARTICULES DE MATIERE NOIRE EN ASSOCIATION AVEC DES QUARKS BOTTOM & ETUDE DES PERFORMANCES DES CHAMBRES MICROMEGAS AVANT LEUR INSTALLATION DANS LES NOUVELLES PETITES ROUES DU DETECTEUR ATLAS

SL-DSM-16-0278

Domaine de recherche : Physique des particules

Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Atlas (Atlas)

Saclay

Contact :

Philippe SCHUNE

Samira Hassani

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2016

Contact :

Philippe SCHUNE

CEA - DSM/IRFU/SPP/Atlas

+33-169087061

Directeur de thèse :

Samira Hassani

CEA - DSM/IRFU/SPP/Atlas

0169087226

Voir aussi : http://irfu.cea.fr/Spp/

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

Le problème de l'identification de la matière noire est au cœur des domaines de la physique des particules et de l'astrophysique. La matière noire est cinq fois plus abondante que la matière baryonique dans l'Univers, mais sa nature reste inconnue. Son existence même implique que notre inventaire des briques élémentaires de la matière est incomplet. L'incertitude sur ses propriétés nous empêche de comprendre entièrement comment l'Univers a évolué jusqu'à son état actuel et comment il évoluera dans le futur. Il est possible que le LHC puisse produire des particules de matière noire qui échappent à la détection directe, mais qui pourraient être découvertes indirectement comme un excès d'événements avec de l'énergie ou de l'impulsion manquante. Par ailleurs certains modèles théoriques utilisés pour expliquer des anomalies observées dans des données astrophysiques suggèrent que ces particules de matière noire se couplent préférentiellement aux quarks lourds comme le quark de beauté ou le top.

Le problème de l'identification de la matière noire est au cœur des domaines de la physique des particules et de l'astrophysique. La matière noire est cinq fois plus abondante que la matière baryonique dans l'Univers, mais sa nature reste inconnue. Son existence même implique que notre inventaire des briques élémentaires de la matière est incomplet. L'incertitude sur ses propriétés nous empêche de comprendre entièrement comment l'Univers a évolué jusqu'à son état actuel et comment il évoluera dans le futur. Il est possible que le LHC puisse produire des particules de matière noire qui échappent à la détection directe, mais qui pourraient être découvertes indirectement comme un excès d'événements avec de l'énergie ou de l'impulsion manquante. Par ailleurs certains modèles théoriques utilisés pour expliquer des anomalies observées dans des données astrophysiques suggèrent que ces particules de matière noire se couplent préférentiellement aux quarks lourds comme le quark de beauté ou le top.



Cette thèse est composée de deux parties. La première partie se concentre sur la recherche de la matière noire produite en association avec des paires de quarks de beauté avec les données du LHC enregistrées à partir de 2015, avec une énergie dans le centre de masse de 13 TeV avec le détecteur ATLAS. À cette énergie, cette recherche devrait améliorer par plusieurs ordres de grandeur les limites actuelles provenant de la détection directe, sur la section efficace pour des couplages de type scalaires. Les résultats seront interprétés dans le cadre d'une théorie des champs effective qui décrit les interactions scalaires et tensorielles entre la matière noire et les particules du Modèle Standard. Ces recherches sont les plus sensibles pour de la matière noire de masse inférieure à 10 GeV, et pourront fournir des informations complémentaires aux recherches directes de matière noire, elles-mêmes plus sensibles à grande masse. Cette recherche permettra donc d'améliorer de façon significative la sensibilité à l'interaction entre la matière noire et le nucléon décrite par un opérateur scalaire.



Si un signal significatif de matière noire est découvert au LHC, il faudra une grande statistique pour effectuer une caractérisation complète et précise de ses propriétés. Le détecteur ATLAS va subir un vaste programme de modernisation afin de faire face à la hausse du flux de particules en raison du fonctionnement à haute luminosité du LHC prévue pour 2020.



La deuxième partie de cette thèse est consacrée à la compréhension et l'exploitation des détecteurs gazeux de type MicroMegas qui vont remplacer une partie du spectromètre à muons d'ATLAS. L'étudiant(e) participera à la construction de ces détecteurs et à leurs études en rayons cosmiques à Saclay et en faisceau test au CERN avant leurs installations.



L’équipe d’accueil est composée de physicien(ne)s du service de Physique des Particules ainsi que d’ingénieurs et techniciens du service d’Électronique, des Détecteurs et d’Informatique.

Cette thèse est composée de deux parties. La première partie se concentre sur la recherche de la matière noire produite en association avec des paires de quarks de beauté avec les données du LHC enregistrées à partir de 2015, avec une énergie dans le centre de masse de 13 TeV avec le détecteur ATLAS.

À cette énergie, cette recherche devrait améliorer par plusieurs ordres de grandeur les limites actuelles provenant de la détection directe, sur la section efficace pour des couplages de type scalaires. Les résultats seront interprétés dans le cadre d'une théorie des champs effective qui décrit les interactions scalaires et tensorielles entre la matière noire et les particules du Modèle Standard. Ces recherches sont les plus sensibles pour de la matière noire de masse inférieure à 10 GeV, et pourront fournir des informations complémentaires aux recherches directes de matière noire, elles-mêmes plus sensibles à grande masse. Cette recherche permettra donc d'améliorer de façon significative la sensibilité à l'interaction entre la matière noire et le nucléon décrite par un opérateur scalaire.



Si un signal significatif de matière noire est découvert au LHC, il faudra une grande statistique pour effectuer une caractérisation complète et précise de ses propriétés. Le détecteur ATLAS va subir un vaste programme de modernisation afin de faire face à la hausse du flux de particules en raison du fonctionnement à haute luminosité du LHC prévue pour 2020.



La deuxième partie de cette thèse est consacrée à la compréhension et l'exploitation des détecteurs gazeux de type MicroMegas qui vont remplacer une partie du spectromètre à muons d'ATLAS. L'étudiant(e) participera à la construction de ces détecteurs et à leurs études en rayons cosmiques à Saclay et en faisceau test au CERN avant leurs installations.



L’équipe d’accueil est composée de physicien(ne)s du service de Physique des Particules ainsi que d’ingénieurs et techniciens du service d’Électronique, des Détecteurs et d’Informatique.
Recherche de nouvelle physique dans le secteur du quark top avec le détecteur ATLAS

SL-DSM-16-0388

Domaine de recherche : Physique des particules

Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (SPP)

Groupe Atlas (Atlas)

Saclay

Contact :

Henri BACHACOU

Frédéric DELIOT

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2016

Contact :

Henri BACHACOU

CEA - DSM/IRFU/SPP/Atlas

+41227675650

Directeur de thèse :

Frédéric DELIOT

CEA - DSM/IRFU/SPP/Atlas

0169086628

Le quark top joue un rôle particulier dans le modèle standard de la physique des particules. En raison de sa très grande masse, ce quark se couple fortement avec le boson de Higgs récemment découvert au LHC. Même s'il n'a pas encore été mesuré directement, son couplage de Yukawa est attendu proche de l'unité. Cette particularité fait du quark top un outil unique pour rechercher de nouveaux processus au-delà du modèle standard, comme les modèles composites, qui prédisent l'existence de partenaire au quark top qui permettent de stabiliser les corrections radiatives à la masse du boson de Higgs. Ces partenaires peuvent, par exemple, ressembler à des quarks top lourds ou à des particules de charge 5/3. Les modèles composites prédisent aussi une augmentation de la production de quatre quarks top. Ce canal est également un canal très prometteur pour la découverte de nouvelle physique.



Le LHC prend maintenant des données à une énergie sans précédent de 13 TeV dans le centre de masse. Un des canaux les plus intéressants pour la découverte de partenaires du quark top ainsi que la production de quatre quarks top est la recherche de deux leptons de même signe parce que la contamination du bruit de fond du modèle standard est faible. Avec les données accumulées par l'expérience ATLAS après quelques années, le doctorant effectuera la recherche de partenaires du quark top dans une région inexplorée de l'espace de phase ainsi que la mesure de la production de quatre quarks top.
Recherche du neutrino stérile auprès du réacteur de l’ILL : expérience Stereo.

SL-DSM-16-0013

Domaine de recherche : Physique des particules

Laboratoire d'accueil :

Service de Physique Nucléaire (SPhN)

Groupe MNM

Saclay

Contact :

David LHUILLIER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2016

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

La thèse proposée porte sur la physique des neutrinos de réacteurs, une thématique particulièrement active en ce moment. Le dernier angle de mélange, ’13, vient en effet d’être mesuré, ouvrant la voie vers les mesures de la violation de la symétrie CP dans le secteur leptonique. En parallèle, l’étude de plus en plus précise des spectres d’antineutrinos des réacteurs a mis à jour une déviation entre la prédiction et les mesures qui pourrait indiquer l’existence d’un nouveau neutrino, non couplé avec l’interaction faible (un neutrino stérile) et de masse autour de 1 eV/c2. L’équipe du SPhN est fortement impliquée sur ce sujet et dirige le projet Stereo, qui vise à tester l’hypothèse du neutrino stérile auprès du réacteur ILL de Grenoble.

Si le neutrino stérile existe il ne pourra pas être détecté directement car il ne se couple à aucune interaction hormis la gravitation. En revanche il se manifestera lors de la propagation des 3 états « actifs » de neutrinos qui pourront se mélanger vers un état supplémentaire. Le signal recherché est alors une probabilité accrue de disparition des antineutrinos électroniques des réacteurs sous la forme d’un nouveau motif d’oscillation de période spatiale de quelques mètres. Le principe de Stereo repose sur 6 cellules de détection identiques disposées entre 8.5 et 11 m de distance du cœur du réacteur de recherche de l’ILL. La technologie retenue, un liquide scintillant dopé au Gadolinium, est dans la continuité de deux autres expériences dans lesquelles sont impliquées les équipes du CEA Saclay, Double Chooz et Nucifer. La difficulté de Stereo réside essentiellement dans la maîtrise des bruits de fond induits par le réacteur et par le rayonnement cosmique. Un important travail de caractérisation du site a été réalisé pour définir tous les blindages nécessaires. Les différentes parties du détecteur et des blindages sont actuellement en construction.

Le début de la thèse proposée coïncide avec le début de la prise de données qui doit s’étaler sur environ 2 ans. Le travail demandé sur ce projet sera donc centré sur l’analyse et la simulation avec deux axes principaux à développer pour exploiter au mieux le signal neutrino:

• L’étude des bruits de fond réacteur et cosmique

• La caractérisation de la réponse en énergie du détecteur

Ce travail couvre un large éventail de physique (scintillation liquide, neutronique, réactions de spallation, physique des réacteurs, …). La taille modeste de la collaboration de Stereo (CEA/Irfu-Saclay, CNRS/LAPP-Annecy, CNRS/LPSC-Grenoble, ILL-Grenoble, MPIK-Heidelberg, Univ. Casablanca) implique une bonne visibilité du travail de thèse et une compréhension possible de l’ensemble de l’expérience. Le travail de thèse doit aboutir à une première publication démontrant les capacités du détecteur avec une partie de la statistique, puis une publication finale avec l’optimisation des erreurs systématiques pour un test performant de l’hypothèse du neutrino stérile.

Ces trois ans de thèse correspondent à une phase de transition pour le projet Nucifer également mené au sein de l’équipe du SPhN. Ce détecteur est actuellement en fin de prise de donnée auprès du réacteur de recherche Osiris du CEA-Saclay. Il a pour objectif de tester la possibilité de surveiller le contenu en plutonium d’un cœur de réacteur en mesurant l’évolution du taux de neutrinos détectés au cours du temps. Une première publication de nos résultats démontre le bon comportement de ce détecteur de conception très simple et appelle à un redéploiement vers un réacteur de puissance comme ceux du parc EDF. Cette continuation du projet Nucifer pourrait permettre à l’étudiant(e) de s’impliquer sur le test d’un nouveau liquide scintillant permettant d’optimiser le compromis entre les contraintes de rendement lumineux, de réjection du bruit de fond et de sureté. Les améliorations de la technologie de détection pour ce type de petit détecteur, installé proche de la surface, sont d’un intérêt direct pour les mesures de physique fondamentale auprès des réacteurs.

Le travail proposé offre donc une formation vers un profil complet de physicien expérimentateur avec des contributions très visibles dans des collaborations de petites tailles et une approche globale de la physique des neutrinos de réacteur. Cette thématique est actuellement très active dans la communauté avec plusieurs projets concurrents à travers le monde qui doivent prendre des données dans les 3 années à venir. Ce contexte est propice à l’épanouissement d’un jeune chercheur pour une poursuite de carrière en recherche académique. Les travaux en connexion avec la physique des réacteurs, plusieurs plateformes de simulation et l’instrumentation liée à la scintillation liquide sont directement valorisables dans l’industrie.

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