Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Le plasma quark-gluon est un état exotique de la matière créé à des températures extrêmes lors de collisions d'ions lourds au LHC au CERN. Le stage propose une étude de faisabilité de mesures des corrélations des particules de quarks lourds, une observable clé pour la caractérisation du plasma quark-gluon.

The Quark-Gluon Plasma is an exotic state of matter created under extreme temperatures in heavy-ion collisions at the LHC at CERN.
The proposed internship consists of a feasibility study of heavy quark particle correlations, a key observable for the characterisation of the quark-gluon plasma.

Au Large Hadron Collider (LHC) à Genève, des collisions de noyaux de plomb sont utilisées pour créer un système thermodynamique décrit par la dynamique des fluides dans des conditions extrêmes. Cet état de la matière est communément appelé Plasma Quark-Gluon (PQG) et dont l'évolution temporelle est décrite par l'hydrodynamique relativiste. Dans ces collisions, des quarks lourds sont créent dans des pairs aux premiers instants et leur nombre est conservé pendant la durée de vie du plasma. Par conséquent, ces pairs de quarks sont des témoins de la collision. La corrélation initiale des deux quarks lourds est modifiée par l´interaction des deux quarks avec le PQG. Cette modification peut nous renseigner sur le mécanisme avec lequel les quarks interagissent avec le PQG. Jusqu´à ce jour, une mesure n´a pas été réalisé.

Le laboratoire PQG du département de physique nucléaire du CEA Saclay est activement impliqué à tous les niveaux de l'exploration expérimentale du PQG avec l'expérience ALICE, l'expérience dédiée aux ions lourds au LHC. Actuellement, le groupe étudie de nouvelles sondes et de nouveaux détecteurs pour étudier le PQG dans l'expérience LHCb, telles que la corrélation des quarks lourds.

L'un des défis de cette mesure expérimentale est le rejet du bruit de fond du grand nombre de particules produites dans la collision et la rareté du signal. Le stage propose d´étudier le rejet de bruit de fond avec les performances des détecteurs futures pour réaliser une première mesure. Ce travail se basera sur des outils de simulation Monte Carlo rapides.Le candidat se familiarisera avec la physique du PQG, la programmation de base en C++, et les bases de l'analyse des données.

At the Large Hadron Collider (LHC) at Geneva, collisions of lead nuclei are used to create a thermodynamic system described by fluid dynamics under extreme conditions. This state of matter is commonly called Quark-Gluon Plasma (QGP). Its time evolution is described by relativistic hydrodynamics. In these collisions, heavy quarks are created in pairs in the early stages and their number is conserved during the plasma lifetime. Consequently, these quark pairs are witnesses of the collision. The initial correlation between the two heavy quark is modified by the strong interaction of these two quarks with the QGP. Until today, no measurement has been realised.

The QGP laboratory inside the department of nuclear physics of CEA Saclay is actively involved at all levels of experimental exploration of the QGP with the ALICE experiment, the dedicated heavy-ion experiment at the LHC. Currently, the group investigates novel probes and new detectors for QGP studies in the LHCb experiment, such as heavy quark correlations.

One of the main challenges of experimental measurement is the rejection of background from the numerous particles produced in the collision and the rareness of the signal. The internship's objective is the study of the background rejection with the performance of future detectors to realise a first measurement. The work will be based on fast Monte Carlo simulation tools. The candidate will familiarise himself/herself with the physics of the QGP, basic C++ programming and basics in data analysis.

simulation de Monte Carlo

MC simulations

C++

Le projet de stage est d'étudier et de caractériser la fonction de réponse de chips CMOS. L’étudiant.e choisi.e devra d'abord préparer une simulation GEANT4 pour reproduire le montage expérimental utilisé lors des essais faisceaux réalisés au CERN. L’étudiant.e caractérisera ensuite la fonction de réponse de différents chips en comparant le résultat de ses simulations avec les bases de données.

The internship project is to study and characterize the response function of CMOS chip. To archive this goal, the chosen student will first implement a simple GEANT4 simulation to reproduce the experimental setup used during the beam tests made at CERN. The student will then characterize the response function of different chips by comparing the output of his/her simulations with the databases.

#SYNOPSIS
Le détecteur LHCb est l'un des quatre principaux détecteurs installés sur le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Conçu pour étudier la production de quarks lourds dans les collisions proton-proton, Tous ses sous-détecteurs passeront par une phase d’upgrade majeure à l’horizon 2030. Parmi ces détecteurs, l’Upstream Tracker (UT), un trajectographe à quatre stations installé en amont de l'aimant de LHCb, est un élément essentiel de la reconstruction, notamment pour identifier les fausses traces reconstruites par les algorithmes dans les collisions à haute multiplicité de particule produite, telles que les collisions d’ions lourds.

Initialement constitué de strips, la technologie du futur UT sera modifier pour utiliser des pixels afin de faire face au taux de collision élevé prévu au LHC en 2030. Le choix de la future technologie utilisée n'est pas encore déterminé, et des études basées sur la simulation sont nécessaires pour comparer les différentes options technologiques. Un ingrédient clé est la fonction de réponse du chip, qui peut être caractérisée sur la base des simulations GEANT4 et des bases de données de tests faisceaux effectués au CERN. Cette fonction de réponse est en effet nécessaire pour les études de performance des chips, et donc cruciale pour choisir la future technologie de l'UT.

#Projet de stage:
Le projet de stage est d'étudier et de caractériser la fonction de réponse de chips CMOS. L’étudiant.e choisi.e devra d'abord préparer une simulation GEANT4 pour reproduire le montage expérimental utilisé lors des essais faisceaux réalisés au CERN. L’étudiant.e caractérisera ensuite la fonction de réponse de différents chips en comparant le résultat de ses simulations avec les bases de données.

#Equipe de stage:
Laboratoire: lQGP at CEA Saclay.
Encadrant: Benjamin Audurier (benjamin.audurier@cea.fr).

#Research overview:
The LHCb detector is one of the four major detectors installed on the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. Designed to study heavy-quark production in proton-proton collisions, the detector will undergo a major upgrade in 2030 of all its sub-detectors. Among them, the Upstream Tracker (UT), a four stations tracker installed upstream of the LHCb magnet, is crucial to distinguish fake reconstructed tracks from good ones in heavy-ion collisions with a high particle multiplicity, such as heavy-ion collisions.

Initially made out of strips, the UT will have to be rebuilt with pixel chips to cope with the high collision rate foreseen at the LHC in 2030. The choice of pixel technology is not settled, and studies based on simulation are required to compare the different options. A key ingredient is the chip response function, which can be characterized based on GEANT4 simulations and databases from beam tests made at the CERN. This response function is mandatory for performance studies and ultimately to choose the UT’s future technology.

#INTERNSHIP project:
The internship project is to study and characterize the response function of CMOS chip. To archive this goal, the chosen student will first implement a simple GEANT4 simulation to reproduce the experimental setup used during the beam tests made at CERN. The student will then characterize the response function of different chips by comparing the output of his/her simulations with the databases.

#INTERNSHIP TEAM:
Laboratory: lQGP at CEA Saclay.
Internship supervisor: Benjamin Audurier (benjamin.audurier@cea.fr).
Duration: Four months.

Technologie CMOS, Simulation GEANT4

CMOS technology, GEANT4 simulation

Simulation GEANT4. Analyse de donnée avec le framework ROOT.

GEANT4 simulation. Data analysis with the ROOT framework.