Les sujets de thèses

12 sujets IRFU

Dernière mise à jour : 17-09-2019


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• Physique des particules

 

Amélioration du spectromètre a muons et physique du boson Z dans ATLAS

SL-DRF-19-0671

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 :

Fabrice Balli

Esther FERRER RIBAS

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Fabrice Balli

CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas

+33169081715

Directeur de thèse :

Esther FERRER RIBAS

CEA - DRF/IRFU/DEDIP/DEPHYS

0169083852

Labo : http://irfu.cea.fr/en/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=2225&id_unit=537

Voir aussi : http://irfu.cea.fr/Pisp/esther.ferrer-ribas/

ATLAS, une expérience majeure du LHC, commence sa préparation en vue de l’augmentation de la luminosité prévue pour le Run3 et le HL-LHC. Le travail consistera dans un premier temps à réaliser l’analyse de données de qualification des nouveaux détecteurs à muons qui intégreront l’expérience dès 2020. La thèse se poursuivra par une mesure dans le domaine de la physique de précision du boson Z avec les données d’ATLAS.



La première année, l’étudiant se focalisera sur l’analyse des données cosmiques du banc de test pour un futur détecteur d’ATLAS au LHC, la nouvelle petite roue (NSW). Ce détecteur est de type Micromégas et devrait être installé à partir de 2020. Ces nouveaux modules sont nécessaires pour suivre l’amélioration des performances de l’accélérateur LHC attendue à l’horizon 2020, en termes de luminosité et de flux de particules produites. Les détecteurs Micromegas, pour MICRO MEsh GAseous Structure, sont des détecteurs de particules gazeux, issus du développement des chambres à fils, mais permettant un fonctionnement à haut flux et une construction simplifiée utilisant des procédés issus de la technologie des circuits imprimés. Inventés en 1992 par Georges Charpak et Ioannis Giomataris, les détecteurs Micromegas sont utilisés principalement en physique expérimentale (physique des particules, physique nucléaire, astrophysique, etc.) mais également pour des projets d’imagerie de grandes structures ou des objets denses avec des rayons cosmiques. Le travail consistera à valider les modules par l’analyse des données sur le banc cosmique de Saclay et à la participation des faisceaux tests au CERN.

Pour les deux autres années de thèse, le sujet est centré autour de la physique de précision électrofaible dans ATLAS. Le but est de mesurer avec la meilleure précision possible l’angle de mélange électrofaible, ainsi que la masse du boson Z, en exploitant les données du Run2 (et éventuellement du Run3). Le canal exploré est celui du boson Z se désintégrant en une paire de leptons muon-antimuon. L’étudiant devra travailler sur la calibration des muons en utilisant le J/Psi comme référence, et devra aussi, par des ajustements astucieux, réduire les incertitudes liées aux fonctions de structure du proton (PDFs). Ces mesures devraient amener à une amélioration sensible du fit électrofaible et ainsi contraindre le Modèle Standard, ainsi que la physique au-delà du Modèle Standard, de façon significative.



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

SL-DRF-19-0246

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 :

David ATTIÉ

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

Contact :

David ATTIÉ

CEA - DRF/IRFU/DEDIP/DEPHYS

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

Directeur de thèse :

David ATTIÉ

CEA - DRF/IRFU/DEDIP/DEPHYS

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

Voir aussi : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900217308495

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 PRODUCTION DE QUARKONIA PROMPT DANS LES COLLISIONS PROTON- PROTON AU LHC AVEC ALICE

SL-DRF-19-0328

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

Service de Physique Nucléaire (DPhN)

Groupe ALICE

Saclay

Contact :

Javier CASTILLO

Andrea Ferrero

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Javier CASTILLO

CEA - DRF/IRFU/SPhN/ALICE

+33 169087255

Directeur de thèse :

Andrea Ferrero

CEA - DRF/IRFU/SPhN

0169087591

Labo : http://irfu.cea.fr/en/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=4190

Voir aussi : http://alice.web.cern.ch

Quelques microsecondes après le Big Bang l’Univers se trouvait dans un état de plasma de quarks et de gluons (QGP). Cet état, prédît par la Chromodynamique Quantique, la théorie de l’interaction forte, est atteint pour des températures ou des densités d’énergie très élevées, telles que celles atteintes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes au LHC au CERN. L’étude de la production des quarkonia, états liés de quarks lourds (charme c-cbar ou beauté b-bbar), est particulièrement pertinente pour comprendre les propriétés du QGP.



Les quarkonia sont des particules rares et lourdes produites aux premiers instants de la collision, avant la formation du QGP. Ceci en fait des sondes idéales du QGP. En le traversant, l’énergie de liaison de la paire quark/anti-quark serait écrantée par le champ de couleur des nombreux quarks et gluons du QGP, et les quarkonia peuvent être dissociées (suppression des quarkonia). Différents états quarkonia ayant différentes énergies de liaison, la probabilité de dissociation de chaque état sera différente (suppression séquentielle). De plus, si le nombre initial de paires quark/anti-quark est élevé, et si les quarks lourds thermalisent dans le QGP, alors des nouveaux quarkonia peuvent être crées par le QGP par recombinaison de quarks lourds. C’est le mécanisme de régénération. Au LHC, Upsilon (b-bbar) et J/psi (c-cbar) sont complémentaires, les premiers sont plus aptes pour étudier la suppression séquentielle, alors que les seconds permettent d’étudier la régénération (création de quarkonia par recombinaison des quarks du QGP). Les quarkonia sont mesurées à travers leur désintégration en paires de muons, qui sont reconstruits par le spectromètre a muons de l’expérience ALICE.



Suite à la prise des données du Run1 et Run2, le détecteur d’ALICE sera amélioré pour augmenter le taux d’interaction de 8 kHz a 50 kHz pour les collisions Pb-Pb. En combinaison avec un nouveau mode d’acquisition continu (sans déclenchement), cela permettra pendant le Run 3 et 4 d’enregistrer une statistique de collisions d’ions lourds d’environ 100 fois supérieure à celle du Run 1 et 2. Dans le cadre de l’étude du Quarkonia, il sera possible de mesurer la suppression et régénération du J/psi avec une bien meilleure précision statistique, mais aussi d’étudier des états quark-antiquark plus rares. La présence d’un nouvel télescope de détecteurs au silicium (MFT) situé en amont du spectromètre à muons permettra de séparer les contributions des J/psi prompt et non-prompt (résultant de la désintégration d’hadrons B).



Nous proposons d’étudier la production des quarkonia prompt dans les collisions proton-proton, avec les premières données enregistrées au taux d’interaction de 50 kHz. Dans les collisions Pb-Pb la séparation des J/psi prompt et non-prompt est importante pour différentier les effets du QGP agissant sur les quarks c de ceux sur le quark b. Dans les collisions p-p, outre le fait de fournir la référence nécessaire pour les études en Pb-Pb, cela permet une comparaison rigoureuse avec les modèles de production de quarkonia. Ce travail d’analyse nécessitera la familiarisation de l’étudiant(e) avec les nouveaux outils de travail de la grille de calcul et les nouveaux codes de simulation, reconstruction et analyse de la collaboration ALICE. En particulier, l’étudiant(e) participera activement au développement du nouveau code de reconstruction et d’analyse online/offline, ainsi que à la mise au point des upgrades du détecteur d’ALICE.

Etude de la nature du neutrino par la détection d'événements double-beta dans l'expérience PandaX-III

SL-DRF-19-0265

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

Service de Physique Nucléaire (DPhN)

Groupe COMPASS

Saclay

Contact :

Damien NEYRET

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Damien NEYRET

CEA - DRF/IRFU/SPhN/COMPASS

01 69 08 75 52

Directeur de thèse :

Damien NEYRET

CEA - DRF/IRFU/SPhN/COMPASS

01 69 08 75 52

Voir aussi : https://arxiv.org/abs/1610.08883

Le neutrino, seule particule de matière de charge électrique nulle, pourrait être une particule de Majorana, c'est-à-dire identique à son antiparticule. Un phénomène naturel nouveau devrait alors apparaître pour quelques rares noyaux atomiques: la double désintégration bêta sans émission de neutrinos. La violation de l'invariance du nombre leptonique qui en résulte, et qui est interdite par le Modèle Standard serait une découverte majeure. C'est l'une des conditions évoquées pour expliquer l'asymétrie matière-antimatière de l'Univers.



L'expérience PandaX-III consiste à mesurer la cinématique d'événements rares de désintégration double-bêta de noyaux de Xénon 136 dans un grand volume de Xénon gazeux à 10 bars. Celle-ci permet de détecter la réaction recherchée, l'émission simultanée de deux électrons sans que des anti-neutrinos n'aient été émis à cette occasion, et de la distinguer des différents bruits de fond (double-bêta avec neutrinos, contamination d'autres noyaux radioactifs, rayons cosmiques). Pour mesurer ces événements rares, le volume de Xénon gazeux formera des chambres à projection temporelle (Time Projection Chamber, TPC), avec un étage de détection constitué de détecteurs gazeux à micro-structure Micromegas de type Microbulk. La TPC devra fonctionner sous une pression pouvant aller jusqu'à 10 bar. Cette expérience prendra place dans le laboratoire souterrain de Jinping (province du Sichuan, Chine), qui possède un des plus faibles taux de rayons cosmiques résiduels au monde. Une excellente résolution en énergie, et une bonne reconstruction de la topologie des événements seront primordiales afin de séparer le signal des différents bruits de fond. Une excellente pureté radiologique du dispositif expérimental est nécessaire afin de limiter l’impact des bruits de fond gamma. Une première chambre TPC de 150 à 200 kg de Xénon sera installée vers le début de 2020, pour arriver à une masse totale de 1 tonne avec 5 chambres TPC dans les années suivantes.



Au sein des équipes de l'IRFU (DPhN et DEDIP, Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique) le doctorant participera aux évaluations des performances des détecteurs Microbulk et de leur électronique de lecture. Il prendra part à la R&D menée pour atteindre une résolution en énergie de 1% à 2,5 MeV sur plusieurs types de détecteurs Micromegas. Ce travail se fera en collaboration avec nos partenaires des universités de Saragosse et de Shanghai. Il inclura le suivi et l'évaluation des performances des différents prototypes et de leur électronique, en particulier en terme de résolutions en énergie et spatiale. En parallèle à ces travaux, l'étudiant participera au développement des algorithmes de reconstruction des données de la TPC dans le but de préparer les travaux d'analyse des premières prises de données de l'expérience. Le but de ces développements est de pouvoir mesurer et caractériser les événements double-bêta (énergie, cinématique, topologie de l'événement) et les reconnaitre des bruits de fond gammas afin de réduire l'impact de ce bruit de fond d'un facteur 100. Ce travail impliquera l'étude des données de chambres de test, ainsi que de simulations Monte Carlo à la fois des dispositifs de test et des TPC finales. L'étudiant participera ensuite à la mise en œuvre de l'analyse des premières données de l'expérience PandaX-III à partir de mi 2020, afin de poser une première limite sur la présence de processus de désintégration double-bêta sans émission de neutrino.

Etude d’une TPC en argon liquide double phase utilisant des détecteurs à micro-structure

SL-DRF-19-0027

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

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Neutrinos-accélérateurs

Saclay

Contact :

Sara Bolognesi

Marco ZITO

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Sara Bolognesi

CEA - DRF/IRFU/SPP/TK2

0169081461

Directeur de thèse :

Marco ZITO

CEA - DRF/IRFU/SPP/TK2

0169083819

La physique des neutrinos a accompli de remarquables progrès avec la découverte des oscillations. Cela implique que les neutrinos ont une masse non-nulle, ce qui nécessite l'existence des nouvelles particules ou de nouvelles interactions. Cela offre la possibilité d'étudier des phénomènes de violations de CP, qui pourraient être liés à l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers. Ces études nécessitent des faisceaux intenses de neutrinos et de grands détecteurs souterrains comme le projet DUNE en construction aux Etats-Unis. L'équipe de l'IRFU construit un grand démonstrateur (300 tonnes) d'un détecteur à argon liquide de nouvelle génération (dite double-phase) pour DUNE, avec des performances accrues. Ce démonstrateur, situé au CERN de Genève, sera opérationnel en 2019 avec des rayons cosmiques et en 2021 avec un faisceau de particules. Le travail de thèse consiste dans l'analyses de ces données pour comprendre le fonctionnement du détecteur. L'étudiant développera les algorithmes de reconstruction des traces et des gerbes électromagnétiques et hadroniques. Il participera aussi à une R&D des détecteurs à micro-structure afin d'en améliorer les performances.

Intelligence artificielle sur un détecteur gamma pour l’imagerie TEP haute résolution

SL-DRF-19-0154

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

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe DO

Saclay

Contact :

Dominique YVON

Viatcheslav SHARYY

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Dominique YVON

CEA - DSM/IRFU/SPP/CaLIPSO

01 6908 3625

Directeur de thèse :

Viatcheslav SHARYY

CEA - DSM/IRFU/SPP/CaLIPSO

0169086129

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/viatcheslav.sharyy/

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=3730

La Tomographie par Emission de Positrons (TEP) est une technique d’imagerie utilisée largement dans le traitement de cancers et dans les recherches neurobiologiques. Il s’agit de détecter deux photons de 511 keV produits par l’annihilation d’un positon issu d’un traceur biochimique fixé dans les tissus.

Elle image ainsi l’activité biologique des organes.

La détermination précise du point d'annihilation des positons est importante pour reconstruire les images avec un bon contraste, en particulier lors d’études sur le cerveau, mais aussi lors d’études précliniques sur des modèles animaux de rongeurs. La technique « temps-de-vol » utilise la mesure de la différence de temps de détection des deux photons pour améliorer le rapport signal sur bruit et la qualité des images reconstruites.

Le projet ClearMind à l’IRFU travaille sur une technologie de détecteur très innovante : nous anticipons un positionnement des interactions à quelques mm3 et une mesure temps-de-vol avec des précisions meilleures que 50 ps (RMS). Pour permettre ces performances, il sera nécessaire d’inférer les propriétés de l’interaction dans le volume du détecteur, à partir des données acquises en surface. Pour cela nous travaillons sur des techniques d’intelligence artificielle (Réseau de Neurones, Deep Learning etc ...) Puis nous voudrons anticiper la qualité des images d’une future machine basée sur notre technologie.

Dans cette thèse, nous proposons d’abord de travailler sur les algorithmes d’intelligence artificielle nécessaires à la reconstruction d’événements dans le détecteur, et ainsi de mesurer ses performances. Puis de participer à une simulation Monté-Carlo du scanner prévu et à la reconstruction des images.



TRAVAIL PROPOSE.

Le détecteur proposé enregistre les coordonnées spatiales 2D et le temps d'arrivée des photons de scintillation et photons Tcherenkov produits par la conversion gamma dans le cristal. Le travail de thèse consistera à écrire une simulation de détecteur à l’aide de logiciel Géant4, à développer et optimiser la reconstruction de coordonnées et temps de la conversion gamma dans le détecteur en utilisant les algorithmes d'intelligence artificielle (réseau de neurones, arbre de décision boosté, etc). Puis à participer à la simulation du scanner complet

à l'aide du logiciel GATE et à caractériser ces

performances selon les normes NEMA.



COMPÉTENCES REQUISES.

Un excellent profil académique. Connaissances en physique subatomique : interactions rayonnement matière, radioactivité, et instrumentation de détection des particules.

Bonnes connaissances des mathématiques appliquées, être à l'aise dans la programmation C++ et à travailler dans un environnement Unix.

Des connaissances en simulation et en algorithme d’intelligence artificielle seront considérées comme un atout.

Mesure de la diffusion cohérente de neutrinos auprès des réacteurs nucléaires de Chooz

SL-DRF-19-0622

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

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Double Chooz

Saclay

Contact :

Thierry Lasserre

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Thierry Lasserre

CEA - DRF/IRFU/SPP

0169083649

Directeur de thèse :

Thierry Lasserre

CEA - DRF/IRFU/SPP

0169083649

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/thierry.lasserre/

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=3427

La thèse proposée porte sur la détection des neutrinos émis par les réacteurs nucléaires selon le processus de diffusion cohérente, mis en évidence pour la première fois en 2017 avec des neutrinos d’une source de spallation de quelques dizaines de MeV [1]. L’expérience Nu-Cleus [2], qui fait l’objet de la thèse, est actuellement en fin de conception. Elle sera déployée auprès de la centrale nucléaire de Chooz à partir de 2019. Un nouveau site de détection, situé entre les deux cœurs de la centrale sera employé pour la mesure. La détection se fera avec des mini-bolomètres ayant un seuil de détection extrêmement bas, de l’ordre de 10 eV, afin d’observer de faibles reculs nucléaires induits par les neutrinos [3]. Une première phase de l’expérience, entre 2020 et 2021 utilisera une masse de détecteur de l’ordre de 10 grammes. Cette réduction de la masse fiducielle constituera une percée technologique en physique des neutrinos. Un réseau d’une centaine de bolomètres permettra ensuite de conduire un programme de physique innovant : tests du modèle standard et recherche de nouvelle physique à basse énergie (dont les neutrinos stériles), facteurs de forme faibles des noyaux, application à la surveillance des réacteurs.



Le principal travail de thèse comportera le développement d’une chaîne de simulation et d’analyse de données de l’expérience. Cette chaîne sera utilisée pour optimiser la détection, pour effectuer des études de sensibilités, et enfin pour analyser et publier les résultats des mesures. L’étudiant(e) participera aussi à l’intégration de l’expérience sur site, prévue en 2020, suivie par la mise en service des détecteurs. Ce travail se fera en proche collaboration avec l’Université de Munich, le service de Physique nucléaire de l’Irfu, et les équipes du CNPE de Chooz.



L’Irfu est solidement impliqué sur la thématique des neutrinos de basses énergies, avec la mesure de l’angle de mélange theta-13 par l’expérience Double Chooz [4], les applications à la non-prolifération avec l’expérience Nucifer [5], et les recherches de neutrinos stériles par les expériences Stéréo [6] et KATRIN [7].



REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES



[1] D. Akimov et al., Science 03 Aug 2017

[2] Strauss, R., Rothe, J., Angloher, G. et al. Eur. Phys. J. C (2017) 77: 506

[3] J. Bill J.Phys. G44 (2017) no.10, 105101

[4] M. Kaneda, Phys. Part. Nucl. 49 (2018)

[5] M. Pequignot, Nucl. P. P. Proc. 265-266 2015

[6] H. Almazan et al., arXiv:1806.02096

[7] M. Kleesiek, arXiv:1806.00369



RECHERCHE DE NEUTRINO STERILE ET MESURE DE LA DIFFUSION COHERENTE DE NEUTRINOS AUPRES DES REACTEURS NUCLEAIRES

SL-DRF-19-0035

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

Service de Physique Nucléaire (DPhN)

Groupe MNM

Saclay

Contact :

David LHUILLIER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

David LHUILLIER

CEA - DSM/IRFU/SPhN/MNM

01 69 08 94 97

Directeur de thèse :

David LHUILLIER

CEA - DSM/IRFU/SPhN/MNM

01 69 08 94 97

Labo : http://irfu.cea.fr/dphn/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=4248

La thématique de la thèse proposée est la physique des neutrinos émis par les réacteurs nucléaires. Une première partie du travail portera sur l’analyse des données de l’expérience STEREO qui a pour but de tester l’existence d’un neutrino stérile de masse autour de 1 eV. L’hypothèse de cette particule fait suite à des travaux de l’Irfu sur la prédiction des spectres neutrinos de réacteurs et sa comparaison avec les données existantes. STEREO est installée auprès du réacteur de recherche de l’ILL à Grenoble. L’analyse menée pendant la thèse cumulera toutes les données jusqu’à la fin d’exploitation du détecteur prévue en 2020 afin d’atteindre la sensibilité finale dans la recherche du neutrino stérile. L’existence d’une telle particule serait une découverte majeure et cette analyse s’inscrira dans le cadre d’un programme expérimental mondial porté par 6 expériences en cours. STEREO fournira également à la communauté un spectre de référence provenant exclusivement des fissions de 235U, permettant un test complémentaire des prédictions de spectres neutrinos.

Ce travail d’analyse sera complété par un travail instrumental lié à la mise en route de l’expérience Nu-Cleus. L’objectif est la détection de la diffusion cohérente des neutrinos auprès de la centrale nucléaire de Chooz, à l’aide d’un bolomètre avec un seuil de détection extrêmement bas (~10 eV) pour détecter les faibles reculs nucléaires induits par les neutrinos. La validation de cette technologie ouvrirait des nombreuses perspectives: tests du modèle standard et recherche de nouvelle physique à basse énergie, rayons de neutrons des noyaux, application à la surveillance des réacteurs. Le travail de thèse s’inscrira dans l’effort de déploiement sur site et en particulier l’étude des blindages pour la réjection des bruits de fond liés au rayonnement cosmique, principale limitation de la mesure. Ce travail offre une formation très complète de physicien expérimentateur ainsi qu’une approche très transverse de plusieurs domaines de physique : nucléaire, particule, cosmologie.

Recherche d’une nouvelle particule scalaire, l’Axion, en collisions Pb-Pb à 5.02 TeV dans l’expérience ATLAS

SL-DRF-19-0457

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

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Atlas

Saclay

Contact :

Laurent SCHOEFFEL

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Laurent SCHOEFFEL

CEA - DSM/IRFU/SPP/Liste des laboratoires

01.69.08.25.83

Directeur de thèse :

Laurent SCHOEFFEL

CEA - DSM/IRFU/SPP/Liste des laboratoires

01.69.08.25.83

Voir aussi : https://www.nature.com/nphys/journal/v13/n9/full/nphys4208.html

Le 14 août 2017 l'expérience ATLAS, au CERN, a publié dans la revue Nature Physics [1] le premier signe direct de la diffusion élastique photon-photon à haute énergie, soit la réaction photon-photon-->photon-photon, confirmant ainsi l'une des plus anciennes prédictions de l'électrodynamique quantique (QED). La mise en évidence expérimentale de ce processus est difficile. En effet, ce phénomène n’est possible qu’en champ électromagnétique (EM) intense avec un champ électrique d’au moins 10^18 V/m. L’expérience ATLAS a utilisé des faisceaux d’ions Plomb à haute énergie 2.5 TeV par nucléon pour produire ces champs intenses. L’interaction des champs EM des 2 faisceaux d’ions Plomb (de directions opposées) permet alors de réaliser les conditions expérimentales appropriées. La publication du 14 août 2017 a ainsi rapporté 13 événements identifiés comme des collisions élastiques de photons (pour un bruit de fond de 2.7 événements). De mi-novembre 2018 à début décembre 2018, une nouvelle prise de données est en cours qui doit permettre d’augmenter ce nombre d’événements d’un facteur 4 à 5, permettant des études plus détaillées qu’une simple observation.

L’objectif de la thèse sera de participer à cette nouvelle analyse. L’étudiant devra contribuer à la compréhension générale des données puis se concentrera sur quelques points précis : par exemple, étudier de manière approfondie les incertitudes systématiques sur la section efficace de l’interaction à 4 photons en fonction de la masse invariante des 2 photons incidents, comme les incertitudes sur les efficacités d’identification de reconstruction des photons. Le spectre en masse des événements de diffusion élastique photon-photon est également essentiel pour un autre aspect innovant de la thèse. Ainsi, dans un premier temps, l’étudiant travaillera sur la mesure de la section efficace de la diffusion élastique photon-photon. Avec plus de données, il sera possible de faire une recherche de nouvelles particules qui peuvent être produites en collisions photon-photon, en particulier une particule scalaire appelée Axion [2] qui joue un rôle important dans la théorie des interactions fortes et qui pourrait également être une source de la matière noire en astrophysique. Avec une bonne compréhension du spectre en masse décrit plus haut, il devient raisonnable de faire une recherche de résonances dans ce spectre (pour chaque masse d’Axion accessible) et, à défaut, d’extraire des limites pour les sections efficaces de production d’Axions. Cette approche dont la faisabilité a été démontrée [2] devra être entreprise par l’étudiant sur les données enregistrées fin 2018. Pour conclure, indiquons que la contribution du groupe du CEA Saclay à la première publication d’ATLAS [1] a été déterminante et que, sur cette lancée, l’environnement au sein du groupe est favorable pour que l’étudiant puisse jouer un rôle important dans ce qui va suivre.



[1] Nature Physics 13, 852–858 (2017)

[2] ATL-COM-PHYS-2018-1113

Vers un detecteur pixel à haute resolution spatiale pour l'identification de particules: contribution de nouveaux détecteurs à la physique

SL-DRF-19-0266

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 :

Nicolas FOURCHES

Paul COLAS

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2019

Contact :

Nicolas FOURCHES

CEA - DRF/IRFU/SEDI/DEPHYS

Directeur de thèse :

Paul COLAS

CEA - DSM/IRFU/SPP/ILC

0169086155

Voir aussi : https://doi.org/10.1109/TED.2017.2670681

Les expériences de physique des particules sur les futurs collisionneurs linéaires à e-e+ nécessitent des progrès dans la résolution spatiale des détecteurs de vertex (jusqu’au micron), ceci afin de déterminer précisément les vertex primaires et secondaires pour des particules de grande impulsion transverse. Ce type de détecteur est placé près du point d’interaction. Ceci permettra de faire des mesures de précision en particulier pour des particules chargées de faible durée de vie. Nous devons par conséquent développer des matrices comprenant des pixels de dimension inférieure au micron-carré. Les technologies adéquates (DOTPIX, Pixel à Puit/Point quantique) devraient permettre une avance significative en reconstruction de trace et de vertex. Bien que le principe de ces nouveaux dispositifs ait été étudié à l’IRFU (voir référence), ce travail de doctorat devrait se focaliser sur l’étude de dispositifs réels qui devraient alors être fabriqués garce aux nanotechnologies en collaboration avec d’autres Instituts. Cela requiert l’utilisation de codes de simulation et la fabrication de structures de test. Les applications en dehors de la physique se trouvent pour l’essentiel dans l’imagerie X et les cameras holographiques dans le visible.

Étude et construction de détecteurs Micromegas pour l'expérience sPHENIX au Brookhaven National Laboratory et mesure de la production de Bottomonium dans des collisions d'ions lourds relativistes

SL-DRF-19-0278

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

Service de Physique Nucléaire (DPhN)

Groupe ALICE

Saclay

Contact :

Hugo PEREIRA DA COSTA

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Hugo PEREIRA DA COSTA

CEA - DRF/IRFU/SPhN/ALICE

+33 169087308

Directeur de thèse :

Hugo PEREIRA DA COSTA

CEA - DRF/IRFU/SPhN/ALICE

+33 169087308

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=500

Le sujet de thèse de doctorat proposé consiste en l'étude et la construction de détecteurs Micromegas pour équiper la Chambre à Projection Temporelle (TPC) de sPHENIX. Les détecteurs doivent fournir une résolution spatiale suffisante pour permettre la mesure précise de l'impulsion des particules chargées. Par ailleurs ils doivent minimiser la présence de charges électriques positives (ions) dans le volume de la TPC. Ces charges peuvent en effet susciter des distorsions locales du champ électrique dans la TPC et détériorer sa capacité à reconstruire la trajectoire des particules.



Les détecteurs Micromegas sont des détecteurs gazeux à plaques parallèles constituées de deux étages: (1) un étage de dérive coïncidant avec le volume de la TPC et (2) un étage d'amplification situé entre le circuit imprimé qui collecte le signal et une micro-grille. Le champ électrique présent dans l'espace d'amplification est très élevé, donnant lieu à un phénomène d'avalanche lorsqu'y pénètre un électron. Les ions résultant de cette avalanche sont ceux responsables de possibles distorsions du champ électrique dans la TPC. Le travail de l'étudiant(e) consistera à étudier la possibilité d'ajouter une ou plusieurs micro-grilles au dessus de la micro-grille d'amplification de façon à capturer ces ions avant qu'ils n'entrent dans l'espace de dérive. Cela nécessitera de construire et caractériser plusieurs détecteurs prototypes de taille réduite, d'en simuler les propriétés précises, puis de tester ces détecteurs {\em in situ}.



En ce qui concerne une analyse de données expérimentales, l'étudiant(e) se concentrera sur l'étude de la production de bottomonium dans des collisions d'ions lourds, basée sur les données collectées par ALICE pendant le Run-2 du LHC (2015-2018). Les analyses possibles incluent: l'étude de la production de bottomonium en fonction de la multiplicité des évènements dans des collisions proton-proton, proton-plomb et plomb-plomb; la mesure du facteur de modification nucléaire ou encore la mesure du flot elliptique. De telles études sont complémentaires de celles qui seront réalisées dans l'avenir sur sPhenix.

Étude et prototypage d’un bolomètre innovant pour la détection de la diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux

SL-DRF-19-0456

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

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Edelweiss

Saclay

Contact :

Claudia Nones

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Claudia Nones

CEA - DRF/IRFU/SPP/Edelweiss

0169083520

Directeur de thèse :

Claudia Nones

CEA - DRF/IRFU/SPP/Edelweiss

0169083520

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

Voir aussi : http://irfu.cea.fr/Phocea/Page/index.php?id=861

Le projet BASKET a pour but le développement des détecteurs innovants pour mesurer précisément le processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN) auprès de réacteurs nucléaires. L’intérêt majeur de ce processus réside dans le fait que sa section-efficace peut-être 10 à 1000 fois plus grande que celle des autres canaux de détection utilisés en physique des neutrinos. L’exploitation de la DCNN pourrait donc permettre à terme de réaliser une percée technologique dans le domaine de la détection des neutrinos en réduisant drastiquement la taille des détecteurs jusqu’à quelques kg seulement. Outre cet intérêt technologique, la DCNN est un mode d’interaction des neutrinos encore largement inexploré : il nous permettrait de tester précisément le modèle standard de la physique des particules et de rechercher de la nouvelle physique.

La signature expérimentale de la DCNN est un recul nucléaire dont l’énergie est de l’ordre de 10 à 100 eV en moyenne. Le défi consiste à disposer d’un détecteur sensible à ces très faibles dépôts d’énergie, tout en maintenant un niveau de bruit de fond en-deçà du signal attendu. Plusieurs voies technologiques sont envisageables, chacune ayant leurs avantages et leurs limites.

La voie technologie envisagée dans cette thèse repose sur l’utilisation de détecteurs bolométriques basse température (DBBT), en s’appuyant sur les développements accomplis pour la recherche de matière noire et la recherche de double désintégration bêta sans émission de neutrinos (0vßß). Le but principal de cette thèse est le prototypage d’un DBBT pouvant opérer en surface auprès d’une centrale nucléaire. Ce dernier point est le défi majeur du projet: les DBBTs utilisés pour la recherche d’évènements rares (matière noire ou 0vßß) opèrent habituellement dans des conditions de bruit de fond extrêmement faibles. Opérer de tels détecteurs en surface auprès d’une centrale pour mesurer la DCNN requiert ainsi plusieurs développements pour atteindre les performances suivantes : un seuil en énergie de l’ordre de 10 eV et des temps de réponse de l'ordre de 0.1-1 ms pour maintenir un temps mort raisonnable et discriminer efficacement les bruits de fond externes au détecteur (muons et neutrons venant de l’interaction du rayonnement cosmique dans l’atmosphère). Pendant cette thèse, deux voies seront explorées afin de de concevoir un prototype répondant à ces besoins : la conception de nouveaux cristaux innovants et le développement de senseurs thermiques haute performance basés sur la technologie des « Metallic Magnetic Calorimeter » (MMC) en collaboration avec DRT/LNHB.

Le projet de thèse prévoit l’étude de nouveaux cristaux « lithiés », de type Li2Mo(1-x)WxO4 possédant à la fois des éléments lourds (ici du tungstène) pour la détection de la DCNN et un composé permettant l’identification des neutrons (6Li). Des premiers tests de mise en froid sur un cristal de Li2WO4 couplé à un senseur MMC ont déjà été réalisés. La suite du projet optimisera la géométrie, la taille des cristaux et les MMC pour atteindre des seuils de l’ordre de 10 eV et des temps de réponses de l'ordre de 0.1 ms, objectifs fixés pour la mesure de DCNN. Une fois, les paramètres du détecteur optimal définis, les senseurs thermiques des MMC seront produits par des moyens de microfabrication à la plateforme technologique Paris-Saclay/C2N.

 

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