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Analyse des données sur la réaction de fission thermique de l’U-233 avec le spectromètre gamma FIPPS
Data analysis from FIPPS gamma-ray spectrometer on the thermal fission of U-233

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

17/03/2022

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Materna Thomas
+33 1 69 08 40 91

Résumé/Summary
L’étude des rayons gamma émis par les fragments de fission permet de sonder les propriétés les plus fondamentales du processus de fission mais aussi de produire des données importantes pour les simulations des réacteurs nucléaires. L’objet du stage est de traiter les premières mesures réalisées avec une cible active d’U-233 sur le nouveau spectromètre FIPPS de l'ILL à Grenoble.
Studying the gamma-rays emitted by fission fragments is a way to reveal the main properties of the fission process but it gives access as well to important data for nuclear reactor simulations. The internship purpose is to analyze the first experiment performed with a U-233 target on the new FIPPS spectrometer of the ILL at Grenoble.
Sujet détaillé/Full description
Au sein de l’Irfu, notre laboratoire étudie expérimentalement la réaction de fission avec notamment des spectromètres de haute précision installés sur le réacteur à haut flux de Grenoble. Notre objectif est d’améliorer les modèles de fission et de désexcitation des fragments dans le cadre des simulations des réacteurs nucléaires mais aussi d'explorer des effets peu étudiés expérimentalement, comme l’influence de la forme des noyaux sur le processus de fission, la répartition des spins entre les deux fragments ou encore l’origine des grandes valeurs de spin des fragments de fission.

Ce stage s’inscrit dans l’étude que nous menons pour décrire les propriétés du processus de fission à l’aide des rayons gamma prompts émis par les fragments. L’étudiant(e) participera à l’analyse des dernières campagnes de mesure effectuées avec le nouveau spectromètre FIPPS installé auprès du réacteur de recherche de Grenoble (ILL). FIPPS est constitué d’un grand nombre de détecteurs de rayons gamma entourant une cible fissile placée dans un flux intense de neutrons thermiques. L’étudiant(e) sera en charge du traitement des données brutes provenant de la cible active d’U-233 et des sources de calibration. Une partie du travail consistera à valider les calibrations en efficacité avec des simulations sous GEANT4.

De bonnes connaissances en physique nucléaire et un attrait marqué pour l’expérimentation et l’analyse des données sont indispensables. L’analyse des données s’effectuera avec un code développé en C++ et basé sur ROOT. Ce stage requière de très bonnes compétences en programmation. Une connaissance du logiciel de simulation Geant4 et de l’environnement ROOT est un atout sans être une obligation.
Our lab at IRFU performs experimental studies on the nuclear fission reaction with, in particular, high-resolution spectrometers installed at the high-flux reactor of Grenoble. Goals are to improve fission models and description of the fragment de-excitation process used in simulation codes for nuclear reactor design but also to explore experimentally less-studied areas like the influence of the nuclear shapes on the fission process, the repartition of angular momentum between the two fragments or the origin of high spins in fission fragments.

The proposed internship is linked to our study on the properties of the fission process by using the gamma rays emitted by fission fragments. The student will participate to the data analysis of the first experiment campaigns performed with the new FIPPS spectrometer installed at the research reactor of Grenoble (ILL). FIPPS is made of a large array of gamma-ray detectors placed around a fissile target that is irradiated with an intense thermal neutron flux. The student will be in charge of processing data taken with an active U-233 target and from calibration sources. Part of the work will consist in the validation of the spectrometer calibration with GEANT4 simulations.

A good background in nuclear physics and a pronounced interest for experimental work and data analysis is essential. Data analysis will be performed with in-house software developed in C++ and based on ROOT. This internship requires strong programming skills. Knowledge of Geant4 simulation software and the ROOT environment is an asset but not an obligation.
Mots clés/Keywords
spectroscopie gamma, fission nucléaire, physique des réacteurs
gamma-ray spectrocopy, nuclear fission, reactor physics
Compétences/Skills
- Spectroscopie gamma avec des détecteurs Germanium et analyse des spectres. - Traitement de larges quantités de données multidimensionnelles. - Programmation en C++ avec l'environnement, les librairies ROOT (CERN). - Simulation des détecteurs avec le code GEANT4.
- Gamma-ray spectroscopy with HPGe detectors and analysis of gamma-ray spectra. - Processing of large multidimensional datasets. - Programming in C++ using ROOT (CERN) libraries. - Simulation of the spectrometer with Geant4.
Logiciels
C++, ROOT, Geant4
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Construction et caractérisation de détecteurs MicroMEGAS pour le tracker externe de l'expérience sPHENIX
Construction and testing of MicroMEGAS detectors for the outer tracker of the sPHENIX experiment

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

20/05/2022

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

FRANCISCO Audrey
+33 1 69 08 70 07

Résumé/Summary
L'objectif du stage est la construction et la caractérisation de détecteurs MicroMEGAS avec des rayons cosmiques. Ces détecteurs équiperont l'expérience sPHENIX dont l'installation est prévue durant l'été 2022
The main objective of the internship is the construction and characterization of MicroMEGAS detectors with the cosmic ray test bench.
Sujet détaillé/Full description
Le laboratoire de Structure du Nucléon (LSN) au CEA-Saclay invite à postuler pour travailler sur l'expérience sPHENIX au laboratoire Brookhaven National Laboratory dans le collisionneur RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider). Le candidat retenu sera impliqué dans la construction et les tests du détecteur TPOT pour la collaboration sPHENIX.

L'expérience sPHENIX est le premier nouveau détecteur au RHIC en 20 ans. Elle sera dédiée à l'étude des jets, saveurs lourdes et quarkonia dans les collisions pp, p-Au et Au-Au à 200GeV avec une précision inégalée et un intervalle cinématique étendu. Le démarrage est prévu début 2023. Le programme de physique de sPHENIX adressera à la fois l'étude du plasma de quarks et de gluons et l'étude de la QCD froide, pavant ainsi le chemin vers le futur collisionneur electron-ion. Le dispositif expérimental va permettre la mesure de particules via la reconstruction et l'identification de particules chargées au sein de la chambre à projection temporelle (TPC). Un des défis majeurs de la TPC est la reconstruction des distorsions de la distribution de charges en son volume qui fluctuent rapidement. La réalisation du programme de physique de sPHENIX nécessite une précision de la calibration de la TPC en dessous de 100?m.

Le détecteur MicroMEGAS TPOT (TPC Outer-Tracker) aidera à surmonter les difficultés liées aux effets de distributions de charge en fournissant un point spatial fixe sur les trajectoires des particules. Les MicroMEGAS (Micromesh Gaseous Structure) sont des détecteurs gazeux légers avec une haute granularité. La technologie a été développée au CEA et est depuis utilisées dans plusieurs expériences de physique nucléaire et des particules autour du monde. TPOT consiste en 2 sets de 4 modules, chacun comprenant deux détecteurs 1D qui fournissent respectivement une mesure dans la direction longitudinale (z) et azimutale (?).

Le détecteur sera entièrement construit au CEA au sein du Département d'Électronique, des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) qui détient une forte expertise de la technologie MicroMEGAS. L’étudiant·e travaillera avec des physiciens et ingénieurs du DEDIP et du Département de Physique Nucléaire (DPhN). Le démarrage de la construction des détecteurs est prévu début 2022 et les détecteurs seront envoyés en mai prochain sur le site expérimental du Brookhaven National Laboratory.
Le stage sera dédié à la construction et à la caractérisation des détecteurs TPOT au CEA. L’étudiant·e mesurera notamment les performances du détecteur en termes de résolution spatiale (< 300 ?m en z and < 300 ?m en ?) en utilisant des rayons cosmiques et des sources radioactives avec un télescope à muons. Iel sera en charge de l’ensemble du processus depuis la prise de données avec le télescope à muons jusqu’à l’analyse des données. Le stage consistera dans un premier temps à prendre en main les outils informatiques existants pour produire les premières mesures des prototypes. Les outils sont basés sur l’environnement ROOT (C++) et le language Python. La deuxieme partie du stage sera dédiée à l’optimisation du code d’analyse des données du banc de test. Selon les dates du stage par rapport au planning du projet, ces deux parties seront consécutives ou fusionnées.
L’étudiant·e devra être à l’aise en anglais pour travailler dans le contexte d’une grande collaboration scientifique international. Iel devra montrer de l’intérêt pour le developpement et la construction de détecteurs et la programmation informatique.

L’étudiant·e sera envisagé pour une poursuite en thèse qui débutera en octobre 2022.
The Laboratoire de Structure du Nucléon (LSN) at CEA-Saclay invites applications to work on the sPHENIX experiment at Brookhaven National Laboratory’s Relativistic Heavy Ion Collider. The successful applicant will be expected to get involved in the construction and testing of the TPOT detector for the sPHENIX collaboration.

The sPHENIX experiment is the first new detector at RHIC in 20 years and will be dedicated to the study of jets, heavy flavor and quarkonia in pp, p-Au and Au-Au collisions at 200GeV with an unmatched precision and an extended kinematic range. The start is planned for early 2023. The physics program of sPHENIX will address both the study of the quark-gluon plasma and the study of cold QCD, laying the groundwork for the future electron-ion collider. The experimental setup will allow the measurement of particles through the reconstruction and identification of charged particles in the time projection chamber (TPC). One of the main challenges of the TPC is the reconstruction of rapidly fluctuating space-charge distortions in the TPC volume. The completion of sPHENIX physics program requires an accuracy below 100?m for the TPC calibration.

The TPOT (TPC Outer-Tracker) MicroMEGAS detector will assist overcoming issues related to space-charge effects by providing a fixed space point on particle trajectories. MicroMEGAS (Micromesh Gaseous Structure) are light gaseous detectors with a high granularity. The technology was developed at CEA and has been used in several nuclear and particle physics experiments around the world. TPOT is made of 2 sets of 4 modules, each module consisting of two 1D detectors that provide a measurement in the longitudinal (z) and azimuthal (?) directions respectively.
The detector will be entirely built at the CEA in the Department of Electronics, Detectors and Computing for Physics (DEDIP) with a strong expertise of the MicroMEGAS technology. The student will be expected to work with both physicist and engineers from the DEDIP and from the Department of Nuclear Physics (DPhN). The construction of the detectors is scheduled to start early 2022 and the detectors will be shipped in May 2022 to the experiment site at Brookhaven National Laboratory.
The internship will be dedicated to the construction and testing of the detector at CEA. The student will assess the detector performances in terms of spatial resolution (< 300 ?m along z and < 300 ?m along ?) using cosmic rays and radioactive sources with a muon telescope. He/she will be in charge of the whole process from data taking with the muon telescope to data analysis. The first part of the internship will consist of using the software tools already available to produce the first measurements of the prototypes. The tools are based on the ROOT framework (C++ ) and the Python programming language. The second part of the internship will be dedicated to the optimization of the code for the data analysis of the muon telescope. Depending on the project schedule and internship dates, these two parts could be consecutive or merged.

The student is expected to be fluent in English to work in the context of a large international scientific collaboration. He/she will have to show interest in detector hardware and software programming.

The student will be considered for a Phd thesis starting October 2022.
Mots clés/Keywords
Physique des particules, détecteurs
Particle physics, detectors
Compétences/Skills
Cinématique relativiste, programmation
Relativistic kinematics, programming
Logiciels
Python, C++
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DE NOUVELLES PISTES POUR L'ETUDE DES NOYAUX LOURDS
NEW PATHS FOR THE STUDY OF HEAVY NUCLEI

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

19/05/2022

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SULIGNANO Barbara
+33 1 69 08 42 27

Résumé/Summary
La chasse aux éléments superlourds est l'un des sujets les plus passionnants et les plus actifs de ces dernières années et a déjà permis de produire de nouveaux éléments tels que les 113, 115, 117 et 118 dans des expériences avec accélérateur. Tous ces noyaux peuvent être produits par des réactions de fusion-évaporation. Cependant, l'utilisation de cette méthode ne permet pas d'atteindre l'îlot de stabilité prédit par les physiciens théoriques et jamais réalisé expérimentalement. Ces dernières années, une nouvelle méthode de production de noyaux lourds a été mise au point. Cette nouvelle methode est basée sur le transfert de quelques nucléons du faisceau à la cible permettant d'atteindre des noyaux très exotiques.
The hunt for superheavy elements is one of the most exciting and active topics of recent years and has already produced new elements such as 113, 115, 117 and 118 in experiment with accelerator. All these nuclei have been produced up to now via fusion-evaporation reactions. However, the use of this method does not allow to reach the island of stability predicted by theoretical physicists and never realized experimentally. In recent years, a new method for the production of heavy nuclei has been developed based on the transfer of few nucleons from the beam to the target allowing to reach very exotic nuclei, namely multi nucleon transfer reactions (MNT).
Sujet détaillé/Full description
Jusqu'à présent, les informations sur les éléments les plus lourds ont été obtenues par des réactions de fusion-évaporation. Il est cependant bien connu que les noyaux qui peuvent être obtenus par des réactions de fusion-évaporation sont déficients en neutrons en raison des combinaisons faisceau-cible disponibles [1]. De plus, en raison du nombre limité de combinaisons faisceau-cible, seuls quelques isotopes spécifiques peuvent être produits. Une alternative à la fusion-évaporation peut être fournie par les collisions inélastiques. Des calculs théoriques récents prédisent en effet des sections efficaces élevées (de l'ordre du microbarn) pour la production d'éléments lourds riches en neutrons dans des réactions inélastiques proches de zéro degré [2]. C'est pourquoi nous avons réalisé pour la première fois l'expérience d'étude de réaction de transfert de multinucléons dans la réaction avec un faisceaux de 136Xe sur une cible de 238U en novembre 2019 à Argonne en utilisant le spectromètre rempli de gaz AGFA. Cela a fait l'objet d'un travail de thèse terminé en 2021. Ce projet sera consacré à la continuation de cette travail de thèse avec l'extraction des rendements des différents produits MNT et à la comparaison de nos observations avec les prédictions des modèles [2-3].

[1] Walter David Loveland. The synthesis of new neutron-rich heavy nuclei. Frontiers in Physics, 7:23, 2019
[2] A. Karpov, V. V Saiko, Phys. Rev C 96 (2017) 024618
[3] I. Stefan, B. Fornal et al. Phy. Lett. B 779 (2018) 456-45
Up to now, the information on the heaviest elements has been obtained via fusion-evaporation reactions. It is, however, well known that the nuclei, which can be reached using fusion-evaporation reactions are neutron deficient due to the available beam-target combinations [1]. Moreover, because of the limited number of beam-target combinations, only few specific isotopes can be produced. An alternative to fusion-evaporation can be provided by deep-inelastic collisions. Recent theoretical calculations indeed predict high cross sections (of the order of microbarn) for the production of neutron-rich heavy elements in deep inelastic reactions close to zero degrees [2]. For this reason we have performed for the first time the study multinucleon transfer reaction experiment in the forward direction using a beam of Xenon(136) on a target of Uranium(238) in November 2019 at Argonne using the Gas-Filled Analyzer (AGFA). That was the subject of a thesis work ended in 2021. This project will be the follow up of the thesis and will be consecrated to the extraction of the yields of various MNT products and compare our observations with model predictions [2-3].


[1] Walter David Loveland. The synthesis of new neutron-rich heavy nuclei. Frontiers
in Physics, 7:23, 2019
[2] A. Karpov, V. V Saiko, Phys. Rev C 96 (2017) 024618
[3] I. Stefan, B. Fornal et al. Phy. Lett. B 779 (2018) 456-45
Mots clés/Keywords
physique nucléaire expérimentale
Logiciels
Familiarité avec les outils d'analyse de données, notamment ROOT ; des compétences en programmation C/C++ sont également souhaitables.
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Détermination de l’arrière-plan galactique de l’interféromètre gravitationnel LISA
Determination of the galactic background of the LISA gravitational interferometer

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/06/2022

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

MOUTARDE Herve
+33 1 69 08 73 88

Résumé/Summary
Les estimations actuelles prévoient environ 60 millions de systèmes binaires galactiques émettant de manière continue. LISA devrait permettre d’en caractériser environ 25000, les autres formant un bruit de confusion. L'un des défis de l'analyse des données du futur observatoire LISA est la séparation entre les signaux issus de systèmes binaires identifiables individuellement et ce bruit de confusion.
Current estimates predict about 60 million continuously emitting galactic binary systems. LISA should be able to characterize about 25,000 of them, the others forming a confusion noise. One of the challenges of the analysis of data from the future LISA observatory is the separation of signals from individually identifiable binary systems from this confusion noise.
Sujet détaillé/Full description
En 2016, l’annonce de la première détection directe d’ondes gravitationnelles a ouvert une ère durant laquelle l’univers sera sondé d’une manière inédite. Simultanément, le succès complet de la mission LISA Pathfinder a validé certaines technologies retenues pour le projet LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Cet observatoire spatial serait constitué de trois satellites éloignés de 2.5 millions de kilomètres et permettrait la détection directe d’ondes gravitationnelles indétectables par les interféromètres terrestres. Son lancement est prévu par l’ESA pour 2034.

A la différence des observatoires au sol, sensibles à de rares signaux d’ondes gravitationnelles et soumis à un bruit de mesure dominant, un interféromètre spatial sera en permanence alimenté par un grand nombre de signaux distincts et caractérisés théoriquement à divers degrés de précision. Les estimations actuelles des quantités et types de source prévoient entre autres 60 millions de systèmes binaires galactiques émettant de manière continue. LISA devrait permettre d’en caractériser environ 25000. Parmi les objectifs scientifiques de la mission LISA figure la livraison d’un catalogue de ces systèmes binaires galactiques résolus, chacun étant caractérisé par une dizaine de paramètres (dont la position dans le ciel ou la fréquence de rotation). Les nombreux autres systèmes échappant à une détection individuelle formeront un fond stochastique, ou bruit de confusion.

Jusqu'à présent les méthodes d'analyse des mesures se fondent sur l'estimation des signaux issus de systèmes binaires galactiques détectables à partir de données bruitées. Distinguer le bruit instrumental du bruit de confusion, et donc estimer ce bruit de confusion, est essentiel au succès de cette démarche.

L'un des défis de l'analyse des données du futur observatoire LISA est la séparation entre signaux issus de systèmes binaires identifiables individuellement et bruit de confusion. Cet objectif peut être atteint en trois étapes :
1. La modélisation statistique du bruit de confusion constitué des signaux gravitationnels issus des systèmes binaires galactiques non résolus.
2. Le développement d'une méthode d'analyse conjointe permettant de discriminer les signaux provenant de systèmes binaires galactiques (détectables individuellement ou pas) et le bruit instrumental. Ce travail étendra un algorithme de détection parcimonieuse des systèmes binaires galactiques pour prendre en compte le bruit de confusion au moyen de sa modélisation statistique.
3. L'évaluation sur des simulations réalistes du futur observatoire LISA.

La méthode proposée repose sur la modélisation parcimonieuse des signaux, et n’a pas encore été étudiée dans ce contexte. Cette approche permet d’exploiter les différences de formes ou de morphologie entre ces signaux et le bruit pour la résolution de problèmes inverses. Au travers des trois étapes ci-dessus, le candidat adaptera les algorithmes tirant parti de cette diversité morphologique, les implémentera et analysera leur apport sur des données simulées réalistes associées à LISA.

Comme dans toute expérience, les données réelles seront soumises à un certain nombre de bruits et d’artefacts à prendre en compte pour optimiser le potentiel scientifique de la mission. Une extension naturelle de ce programme de travail consisterait à prendre en compte des données lacunaires suivant une méthode précédemment explorée. Des périodes d’interruption de prises de données sont en effet attendues, par exemple pour des raisons de maintenance ou d’instabilité de sous-systèmes. Une autre extension envisageable serait l’estimation des paramètres des systèmes binaires galactiques résolus et l’évaluation de la perturbation induite par le bruit de confusion sur cette estimation. En fonction de la durée du stage, de ses connaissances et de ses centres d’intérêt, le candidat pourra explorer l’une de ces extensions.

Dans l’ensemble, il faut préciser que si ce sujet comporte une part importante de traitement du signal et des aspects de programmation soignée, un effort devra être porté sur la physique, la compréhension fine du contenu des signaux ou des différentes sources de bruit, et les moyens à mettre en œuvre pour la réalisation des objectifs de physique de la mission LISA.

Ce stage pourra déboucher sur une thèse.

In 2016, the announcement of the first direct detection of gravitational waves ushered in an era in which the universe will be probed in a way never before possible. Simultaneously, the complete success of the LISA Pathfinder mission validated some of the technologies selected for the LISA (Laser Interferometer Space Antenna) project. This space observatory would consist of three satellites 2.5 million kilometers apart and would allow the direct detection of gravitational waves undetectable by ground-based interferometers. Its launch is planned by ESA for 2034.

Unlike ground-based observatories, which are sensitive to rare gravitational wave signals and subject to dominant measurement noise, a space-based interferometer will be continuously fed by a large number of distinct signals theoretically characterized to varying degrees of accuracy. Current estimates of source quantities and types include 60 million continuously emitting galactic binary systems. LISA should be able to characterize about 25,000 of them. Among the scientific objectives of the LISA mission is the delivery of a catalog of these resolved galactic binaries, each one being characterized by about ten parameters (including the position in the sky or the rotation frequency). The many other systems that cannot be detected individually will form a stochastic background, or confusion noise.

Until now, the methods of measurement analysis have been based on the estimation of signals from detectable galactic binary systems from noisy data. Distinguishing the instrumental noise from the confusion noise, and thus estimating the confusion noise, is essential to the success of this approach.

One of the challenges of data analysis of the future LISA observatory is the separation of signals from individually identifiable binary systems from confusion noise. This objective can be achieved in three steps:
1. Statistical modeling of the confusion noise constituted by the gravitational signals from unresolved galactic binary systems.
2. The development of a joint analysis method to discriminate between signals from galactic binary systems (individually detectable or not) and instrumental noise. This work will extend an algorithm of sparse detection of galactic binary systems to take into account the confusion noise through its statistical modeling.
3. Evaluation on realistic simulations of the future LISA observatory.

The proposed method is based on sparse signal modeling, and has not yet been studied in this context. This approach allows to exploit the differences in shape or morphology between these signals and the noise for the solution of inverse problems. Through the three steps above, the candidate will adapt algorithms taking advantage of this morphological diversity, implement them and analyze their contribution on realistic simulated data associated with LISA.

As in any experiment, the real data will be subject to a number of noises and artifacts to be taken into account to optimize the scientific potential of the mission. A natural extension of this work program would be to take into account data gaps following a previously explored method. Periods of interruption of data taking are indeed expected, for example for maintenance reasons or instability of subsystems. Another possible extension would be the estimation of the parameters of resolved galactic binary systems and the evaluation of the perturbation induced by the confusion noise on this estimation. Depending on the duration of the internship, the candidate's knowledge and interests, he/she could explore one of these extensions.

Overall, it should be noted that if this subject includes an important part of signal processing and aspects of careful programming, an effort should be made on the physics, the fine understanding of the content of signals or different sources of noise, and the means to be implemented for the realization of the physics objectives of the LISA mission.

This internship could lead to a thesis.

Mots clés/Keywords
Onde gravitationnelle, représentation parcimonieuse, interféromètre LISA, analyse statistique de données
Gravitational wave, sparse representation, LISA interferometer, statistical data analysis
Compétences/Skills
Des connaissances de base en analyse numérique, probabilités et traitement du signal sont requises. Une expérience de la programmation en Python sera un atout pour l’utilisation des outils de simulation existants. Ce stage s’adresse à des étudiants de niveau M1, M2 ou grande école.
Basic knowledge of numerical analysis, probability and signal processing is required. Experience in Python programming will be an asset for the use of existing simulation tools. This internship is aimed at students at the Master M1, M2 or Grande Ecole level.
Logiciels
Python
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Développement d'un détecteur MicroMEGAS 2D léger pour la trajectographie des particules chargées au collisionneur électron-ion (EIC)
Development of a light 2D MicroMEGAS detector for charged particle tracking at the Electron Ion Collider (EIC)

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2022

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BOSSU Francesco
+33 1 69 08 86 23

Résumé/Summary
L'objectif principal du stage est la caractérisation des prototypes MicroMEGAS avec différentes conceptions de lecture 2D. Les résultats de ce stage permettront de décider le design final des détecteurs qui seront construits pour les expériences à l’EIC.
The main objective of the internship is the characterization of MicroMEGAS prototypes with different 2D readout designs. The results of the internship will drive the decision of the final design for the detectors that will be built for the EIC experiments.
Sujet détaillé/Full description
Les collisions profondément inélastiques d'électrons avec des protons constituent le moyen le plus propre d'étudier la structure interne des nucléons et des noyaux. L'installation de nouvelle génération qui nous permettra d'étudier les propriétés des constituants fondamentaux de la matière, c'est-à-dire les quarks et les gluons, est le collisionneur électron-ion (EIC). C'est un collisionneur à haute luminosité et à haute énergie qui sera construit au Brookheaven National Laboratory (BNL). À l'EIC, la grande précision requise dans la reconstruction des particules générées dans chaque collision e-p demande des exigences strictes sur les choix technologiques du détecteur. En particulier, la reconstruction des électrons et des photons, observables clés à l'EIC, impose de minimiser la quantité de matière que ces particules doivent traverser afin de réduire les diffusions multiples, les pertes d'énergie radiative et les effets de conversion.
Les MicroMEGAS (MM) sont des détecteurs gazeux légers à granularité élevée qui ont été développés et largement utilisés par le CEA-Saclay dans des expériences de physique nucléaire et de physique des particules dans le monde entier, comme COMPASS et ATLAS au CERN et CLAS12 au Jlab. Pour le détecteur EIC, un ensemble de couches cylindriques de tuiles MM a été proposé pour compléter le vertex tracker en silicium comme solution à bas coût pour couvrir de grandes surfaces. La technologie MM proposée est basée sur le Barrel MicroMEGAS Tracker de l'expérience CLAS12, mais avec la capacité de fournir une information bidimensionnelle de la position du passage de la particule chargée.
L’objectif principal de l’R&D en cours est l'optimisation du design du plan de lecture des détecteurs afin d'obtenir les meilleures résolutions possibles dans les deux dimensions, tout en minimisant le nombre de canaux de lecture et l’épaisseur des matériaux utilisés. Il est prévu que plusieurs solutions différentes soient construites dans de petits prototypes.
Le but du stage proposé est la caractérisation de la résolution spatiale des différents prototypes en utilisant des rayons cosmiques et des sources radioactives. Un télescope à muons sera utilisé pour reconstruire précisément la trajectoire des rayons cosmiques qui traverseront les prototypes testés. L'étudiant(e) sera en charge de la prise de données avec le télescope à muons et de l'analyse des données recueillies. La comparaison des performances des différents types de lecture sera utilisée pour proposer la meilleure solution de design des MM pour le détecteur EIC. L'analyse des données sera effectuée à l'aide du logiciel ROOT, l'outil standard pour les analyses de données en physique nucléaire et des particules, et de Python. La plupart des logiciels sont déjà disponibles et avec la supervision du personnel du DPhN (Département de physique nucléaire) et du DEDIP (Département* ), l'étudiant(e) pourra se plonger rapidement dans le projet.
Ce projet de R&D est réalisé en collaboration avec une équipe du BNL. L'étudiant(e) pourra discuter de ses résultats dans des réunions internationales au sein de la collaboration EIC.
Deep inelastic collisions of electrons off protons are the cleanest way to investigate the inner structure of nucleons and nuclei. The next generation facility that will allow us to study the properties of the fundamental blocks of matter, i.e. the quarks and gluons, is the Electron Ion Collider (EIC), a high-luminosity high-energy collider set to be built at the Brookheaven National Laboratory (BNL). At the EIC, the high precision required in the reconstruction of the particles generated in each e-p collision directly imposes strict requirements on the detector technology choices. In particular, the reconstruction of electrons and photons, key observables at the EIC, imposes the minimization of the amount of material that these particles have to traverse in order to reduce multiple scattering, radiative energy loss and conversion effects.
MicroMEGAS (MM) are light-weight high-granularity gaseous detectors that have been developed and extensively used by CEA-Saclay in nuclear and particle physics experiments around the world, such as COMPASS and ATLAS at CERN and CLAS12 at Jlab. For the EIC detector, a set of cylindrical layers of MM tiles has been proposed to complement the silicon vertex tracker as a cost-effective solution for covering large surfaces. The proposed MM technology is based on the Barrel MicroMEGAS Tracker of the CLAS12 experiment, but with the ability to provide a two dimensional information of the position of the charger particle crossing.
The main focus of the ongoing R&D effort is, therefore, the optimization of the MM signal readout design to achieve the best possible resolutions on both dimensions, while minimizing the number of readout channels and the total material budget of each detector. It is planned that several different solutions will be implemented in small prototypes.
The proposed internship goal is the characterization of the spatial resolution of the various prototypes using cosmic rays and radioactive sources. A muon telescope will be used to precisely reconstruct the direction of cosmic rays that will cross the prototype under test. The student will be in charge of the data taking with the muon telescope and the analysis of the collected data. The comparison of the performance of the various types of readout will be used to refine the MM design for the EIC detector. The data analysis will be performed using the ROOT framework, the standard tool for nuclear and particle physics data analyses, and Python. Most of the software is already available and with the supervision of the DPhN (Department of Nuclear Physics) and DEDIP (Department of Electronics, Detector and Information technology) staff, the student will be able to quickly dive into the project.
This R&D project is done in collaboration with a team at BNL. The student will be able to discuss her/his results within international meetings.
Mots clés/Keywords
Physique des particules, détecteurs, R&D
Particle physics, detectors, R&D
Compétences/Skills
Cinématique relativiste, programmation, simulations Monte-Carlo
Relativistic kinematics, programming, Monte Carlo simulations
Logiciels
Python, C++
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Développement d’un détecteur cryogénique de rayons gamma pour la calibration précise des bolomètres destinés à l’étude de la diffusion cohérente neutrino-noyau.
Development of a cryogenic gamma ray detector for the precise calibration of bolometers used in the study of the coherent neutrino-nucleus scattering.

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

17/03/2022

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

LHUILLIER David
+33 1 69 08 94 97

Résumé/Summary
Le travail proposé consiste à développer et tester un détecteur pour des gamma de 5 à 10 MeV. Il devra fonctionner dans un cryostat à 0.02 °K. Ce détecteur servira à la calibration à très basse énergie (100 eV) de bolomètres utilisés pour l'étude de la diffusion cohérente neutrino-noyau.
The proposed work consists in developing and testing a detector for gamma rays of 5 to 10 MeV. It will have to operate in a cryostat at 0.02 °K. This detector will be used for the calibration at very low energy (100 eV) of bolometers used for the study of coherent neutrino-nucleus scattering.
Sujet détaillé/Full description
La détection de dépôts d’énergie aussi bas que quelques dizaines d’eV est depuis peu accessible avec des bolomètres (détecteurs cryogéniques refroidis à 0.02°K) d’un volume de l’ordre du cm3. En assemblant un nombre raisonnable de ces détecteurs une masse totale de l’ordre de 100 g peut ainsi être constituée et offrir une sensibilité unique pour la recherche de la matière noire légère ou l’étude de la diffusion cohérente des neutrinos. La signature des processus recherchés est en effet très ténue : un seul noyau recule dans le cristal du détecteur, avec une énergie cinétique de typiquement une centaine d’eV. Même si les bolomètres sont capables de capter un tel signal la caractérisation de leur réponse (calibration, linéarité) dans cette gamme d’énergie reste inexplorée. Les techniques habituelles de calibration sont en effet limitées aux énergies supérieures au keV. Le projet CRAB [1] (Calibrated Recoils for Accurate Bolometry) propose une nouvelle méthode qui a le potentiel de combler cette lacune et de fournir aux bolomètres toute la sensibilité nécessaire pour explorer une nouvelle physique. Le principe consiste à envoyer des neutrons thermiques sur le bolomètre. Environ 1 neutron sur 10 se fera capturer par un noyau dans le volume du détecteur, formant un nouveau noyau qui va se désexciter par l’émission d’un rayon gamma de haute énergie, typiquement entre 5 et 10 MeV. A chaque isotope correspond une énergie gamma spécifique et, par conservation de l’impulsion, un recul bien défini du noyau émetteur. Des pics apparaissent ainsi dans le spectre de recul mesuré par le bolomètre permettant de le calibrer précisément. La masse des noyaux fait que leur recul est dans la gamme des 100 eV, tout comme les reculs attendus pour la diffusion de la matière noire ou des neutrinos ! Le rayon gamma émis quant à lui s’échappe aisément du bolomètre et peut être utilisé pour signer sans ambiguïté le processus.
Le travail de stage propose de développer et valider un détecteur pour ces rayons gamma. Les principales spécifications sont d’atteindre une bonne efficacité de détection, une résolution en énergie de 2-3 % (sigma) dans la gamme des 5-10 MeV et une atténuation suffisante des bruits de fonds externes, dominés par les rayons cosmiques et les particules secondaires associées à la source de neutrons. Suite à des études par simulation, le choix se porte sur des cristaux cylindriques de BGO de 3x3 inch placés au plus près du bolomètre, c’est-à-dire à l’intérieur du cryostat utilisé pour toutes les mesures bolométriques. Le premier test en froid (0.02 °K) aura lieu pendant le stage avec le cryostat de nos collègues de l’IJCLab. Il devra valider la faisabilité de la mesure. La lecture du signal BGO se fera par un capteur qui converti la lumière de scintillation du BGO en phonons, avec un temps de réponse relativement long (de l’ordre de la ms). Une lecture plus rapide par fibre optique, qui permettrait de diminuer son temps de réponse à quelque 10 microsecondes, sera testée en parallèle. L’idée est de capter le signal lumineux sur le BGO par les fibres et de le déporter à l’étage chaud du cryostat (300°K) vers un Silicon-Photo-Multiplicator (SiPM). La mise au point de cette nouvelle chaîne de détection se fera au CEA, avec des tests à température ambiante. Pour ces deux campagnes de mesures, une source de gammas de haute énergie récemment développée au CEA pourra être utilisée pour qualifier les performances du BGO dans la gamme en énergie souhaitée. Le(a) stagiaire sera fortement impliqué(e) dans le montage des dispositifs expérimentaux, les prises de données et leurs analyses. Il (elle) pourra être force de propositions, tester ses propres idées dans la mise au point de la lecture par fibre optique et dans les analyses. Ce projet lui permettra d’avoir un aperçu complet d’un travail de physicien expérimentateur.
L’essentiel de l’environnement software existe déjà et ne requiert pas de compétence poussée en informatique. L’analyse des données sera faite avec le logiciel ROOT (https://root.cern). L’étudiant(e) bénéficiera de l’encadrement rapproché de l’équipe du DPhN (Département de Physique Nucléaire) constituée de 3 permanents et 2 thésards. L’ensemble du travail se fera aussi en proche collaboration avec les équipes de l’IJCLab d’Orsay et du DPhP du CEA-Saclay (Département de Physique des Particules). Le développement du détecteur gamma cryogénique est un point central du projet CRAB et fera l’objet d’une publication. La première application de la méthode CRAB est prévue avec les bolomètres de l’expérience de diffusion cohérente de neutrinos NUCLEUS [2]. L’étudiante aura l’occasion de présenter ses résultats devant cette collaboration internationale.

[1] L. Thulliez, D. Lhuillier et al., Calibration of nuclear recoils at the 100 eV scale using neutron capture, JINST 16, 7 (2021).
[2] J. Rothe et al., Exploring CEvNS with NUCLEUS at the Chooz nuclear power plant, Eur. Phys. J. C 79 (2019) 12, 1018.
The detection of energy deposits as low as a few tens of eV is recently accessible with bolometers (cryogenic detectors cooled to 0.02°K) of a volume of the order of cm3. By assembling a reasonable number of these detectors, a total mass of about 100 g can be constituted and offer a unique sensitivity for the search of light dark matter or the study of coherent neutrino-nucleus scattering. The signature of the searched processes is indeed very tenuous: a single nucleus recoils in the crystal of the detector, with a kinetic energy of typically a hundred eV. Even if bolometers are now able to capture such a signal, the characterization of their response (calibration, linearity) in this energy range remains unexplored. The usual calibration techniques are indeed limited to energies above keV. The CRAB project [1] (Calibrated Recoils for Accurate Bolometry) proposes a new method which has the potential to fill this gap and to provide bolometers with all the sensitivity necessary to explore new physics. Its principle consists in sending thermal neutrons on the bolometer. About 1 neutron out of 10 will be captured by a nucleus in the volume of the detector, forming a new nucleus that will de-excite by emitting a high energy gamma ray, typically between 5 and 10 MeV. Each isotope has a specific gamma energy and, by conservation of momentum, a well-defined recoil of the emitting nucleus. Thus peaks appear in the recoil spectrum measured by the bolometer, allowing it to be calibrated precisely. The mass of the nuclei makes that their recoil is in the range of 100 eV, just like the recoils expected for the diffusion of dark matter or neutrinos! The emitted gamma ray escapes easily from the bolometer and can be used to sign without ambiguity the process.
The proposed internship work is to develop and validate a detector for these gamma rays. The main specifications are to achieve a good detection efficiency, a 2-3% energy resolution (sigma) in the 5-10 MeV range and a sufficient attenuation of external background noise, dominated by cosmic rays and secondary particles associated with the neutron source. Following simulation studies, the choice is made for 3x3 inch cylindrical BGO crystals placed as close as possible to the bolometer, i.e. inside the cryostat used for all bolometric measurements. The first cold test (0.02 °K) will take place during the internship in the cryostat of our colleagues of the IJCLab. It will validate the feasibility of the measurement. The reading of the BGO signal will be done by a sensor which converts the scintillation light of the BGO into phonons, with a relatively long response time (of the order of ms). A faster fiber optic readout, which would decrease its response time to about 10 microseconds, will be tested in parallel. The idea is to capture the light signal on the BGO by the fibers and to transfer it to the room temperature stage of the cryostat towards a Silicon-Photo-Multiplicator (SiPM). The development of this new detection chain will be done at CEA, with tests at room temperature. For these two measurement campaigns, a high energy gamma source recently developed at CEA will be used to qualify the performance of the BGO in the desired energy range. The student will be strongly involved in the set-up of the experimental devices, the data taking and their analysis. He (she) will be able to make proposals, test his (her) own ideas in the development of the fiber optic reading and in the analyses. This project will allow him/her to have a complete overview of an experimental physicist's work.
Most of the software environment already exists and does not require advanced computer skills. The data analysis will be done with the ROOT software (https://root.cern). The student will benefit from the close supervision of the DPhN (Department of Nuclear Physics) team, which is composed of 3 permanent staff and 2 PhD students. The work will also be done in close collaboration with the teams of the IJCLab of Orsay and the DPhP of CEA-Saclay (Department of Particle Physics). The development of the cryogenic gamma-ray detector is a central point of the CRAB project and will be published. The first application of the CRAB method is planned with the bolometers of the NUCLEUS coherent neutrino scattering experiment [2]. The student will have the opportunity to present her results to this international collaboration.


[1] L. Thulliez, D. Lhuillier et al., Calibration of nuclear recoils at the 100 eV scale using neutron capture, JINST 16, 7 (2021).
[2] J. Rothe et al., Exploring CEvNS with NUCLEUS at the Chooz nuclear power plant, Eur. Phys. J. C 79 (2019) 12, 1018.
Mots clés/Keywords
Physique des particules, Physique de la matière condensée
Particle physics, solid state physics
Logiciels
C++, python, Root, GEANT4
PDF
Etrangeté dans le nucléon; hadronisation des quarks en kaons à COMPASS
Strangeness in nucleon; quark hadronisation into kaons at COMPASS

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/09/2022

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

KUNNE Fabienne
+33 1 69 08 43 45

Résumé/Summary
Le stage consiste en une analyse de données de physique obtenues par l’expérience COMPASS au CERN. Le but est l’étude de l’hadronization des quarks étranges en kaons, et l'extraction de fonctions de distribution et de fragmentation des partons dans le secteur de l'étrangeté.
We propose an internship focused on physics data analysis to extract the multiplicities of kaons produced in the COMPASS experiment at CERN. The goal is to study the hadronization of strange quarks into kaons, and extract parton distribution functions and fragmentation functions in the strange quark sector.
Sujet détaillé/Full description
Les données inclusives de diffusion profondément inélastique (DIS) où un lepton (un muon par exemple) entre en collision avec un nucléon (mu p - > mu’ X), sont depuis des années la source principale d'informations sur la structure du nucléon. Analysées dans le cadre de la QCD perturbative (pQCD), et avec l'ajout de seulement quelques données d'autres réactions, elles ont fourni une image complète de la distribution des différentes saveurs de parton (up, down, strange…
Parton Distribution Functions, PDF). Cette image est remise en question par l'avènement de données précises du LHC, en particulier dans le secteur de l'étrangeté.
Les données DIS semi-inclusives (SIDIS), où, en plus du lepton diffusé, on détecte les hadrons sortant (par exemple : mu p - > mu’ p K), ont le potentiel de fournir les éclaircissements requis. Ceci est possible grâce à ‘’ l’étiquetage ’’ de la saveur des quarks par les hadrons (un kaon K dans l’exemple ci-dessus). La description du SIDIS dans pQCD nécessite la détermination expérimentale d'un autre ensemble de fonctions, les Fonctions de Fragmentation (FF) des quarks. Les multiplicités de hadrons (kaons, pions, protons) sont les observables requises. Elles sont ensuite analysées dans un fit pQCD simultané des PDF et FF.
L'expérience en cible fixe COMPASS au CERN a entrepris un programme de mesures de ces multiplicité, avec un accent particulier sur la production de kaons, porteurs de quarks de saveur ‘’étrange’’. Le stagiaire se concentrera sur l'analyse
des données. Il se familiarisera avec les fondamentaux de la physique expérimentale: simulation du dispositif expérimental par les techniques modernes de Monte-Carlo, analyse statistique de données, comparaison avec des calculs théoriques.
Finalement, l'étudiant utilisera un logiciel existant pour extraire les Fonctions de Fragmentation des quarks et des gluons à partir des multiplicités de hadrons mesurées.
Le stagiaire sera intégré dans l'équipe COMPASS du DPhN à Saclay, qui est leader dans ce domaine de physique et a des responsabilités importantes au sein de la Collaboration à la fois dans les activités de construction de détecteurs et d’analyse de données. Du côté de la théorie, il recevra les conseils d'un théoricien du DPhN, expert des
techniques pQCD utilisées entre autres par la Collaborationn NNPDF (Neural Network PDF).
Inclusive Deep Inelastic Scattering (DIS) data where a lepton collides on a nucleon, have been for years the primary source of information on the structure of the nucleon. Analysed in the framework of perturbative QCD (pQCD), and with the addition of only few data from other reactions, they have provided a complete picture of the distribution of the various parton flavours (up, down, strange…) in terms of Parton Distribution Functions (PDFs). This picture is challenged by the advent of precise LHC data, in particular in the strangeness sector.
Semi-Inclusive DIS (SIDIS) data, where in addition to the scattered lepton, hadrons produced in the final state are measured, have the potential to provide the required clarification. This, thanks to the tagging of quark flavours by the outgoing hadrons. The description of SIDIS in pQCD requires the experimental determination of another set of functions, the parton Fragmentation Functions (FFs). Hadron multiplicities are the relevant observables. They are then put to best use in a simultaneous pQCD fit to PDFs and FFs.
The COMPASS fixed target experiment at CERN has undertaken a programme of measurements of theses multiplicity observables, with a particular emphasis on the production of kaons, i.e. hadrons with open strangeness. The intern will focus on the analysis of data collected by COMPASS. He will learn and successfully use the fundamentals of the experimental physics: simulation of the experimental equipment by modern Monte-Carlo techniques, statistical analysis of big
samples of data, comparison with theoretical calculations. Finally, the student will use existing software to extract quark and gluon fragmentation functions from the measured hadron multiplicities.
The student will be integrated in the COMPASS DPhN Saclay team, who is a leader in this physics topics and has important responsibilities inside the collaboration both in hardware and analysis activities. On the theory side, he will receive guidance from a theoretician of DPhN Saclay, expert in the pQCD fitting techniques used by the NNPDF (Neural
Network PDF) collaboration.
Mots clés/Keywords
physique hadronique, quarks, hadron, nucléon, quark étrange
hadronic physics, quarks, hadron, nucleon, strange quark
Compétences/Skills
Méthodes fondamentales de la physique expérimentale: Simulation d'expérience par technique moderne de Monte-Carlo, traitement et analyse statistique de grandes quantités de données, comparaison à des calculs théoriques.
Fundamentals methods of experimental physics: simulation of the experimental equipment by modern Monte-Carlo techniques, statistical analysis of big samples of data, comparison with theoretical calculations.
Logiciels
C++, Geant, environnement ROOT,
PDF
Etude de la structure des kaons via la diffusion profondément inélastique sur de l'hydrogène
Accessing the kaon structure using 'recoil tagged' deep-inelastic muon scattering on hydrogen

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/09/2022

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

KUNNE Fabienne
+33 1 69 08 43 45

Résumé/Summary
Le stage consiste en une analyse de données de physique obtenues par l’expérience COMPASS au CERN, pour tenter d'étudier la structure des kaons via la diffusion profondément inélastique sur le ''nuage de mésons'' du proton, avec un ''étiquetage'' adéquat des particules de recul.
We propose an internship focused on physics data analysis to study the structure of kaons via deeply inelastic scattering on the proton 'meson cloud', with an adequate tagging of recoil particles.
Sujet détaillé/Full description
Les distributions de partons (quarks 'up' et 'strange') dans le kaon, le méson étrange le plus léger, est actuellement très mal connue. La raison en est que le kaon étant instable, aucune cible de kaon n'existe. Cependant, dans des régions cinématiques spécifiques, le kaon est accessible via la diffusion inélastique profonde de leptons (ici des muons) sur des mésons kaons virtuels qui font partie du «nuage de mésons» du proton. La réaction peut être étiquetée par la détection de la particule de recul associée, ici un Lambda.
Pour un muon incident diffusé sur une cible d'hydrogène (proton p), la réaction est mu p -> mu 'p' Lambda, où le Lambda se désintègre en proton et pion (Lambda -> p pi). La détection des produits de désintégration p et pi en coïncidence avec le muon mu 'diffusé devrait donc fournir une signature du méson kaon insaisissable.
Des données acquises avec un faisceau de muons diffusé sur une cible d'hydrogène ont été collectées par l'expérience COMPASS au CERN. Les particules de recul ont été identifiées grâce à un détecteur de temps de vol. L'objectif du stage est d'utiliser les données disponibles afin d'identifier les proton et les pions de recul pour reconnaître une particule Lambda.
The structure function of the kaon, the lightest strange meson, accounting for the momentum distribution of its up and strange quarks, is presently unknown. There is a simple reason for that: the kaon being unstable, no kaon target exists. However, in specific kinematic regions, the kaon can be accessed through the deep inelastic scattering of leptons (here muons) on virtual kaon mesons which are part of the 'meson cloud' of the proton. The reaction can be tagged by the detection of the associated recoiling particle, here a Lambda.
For an incident muon scattered on an hydrogen (proton p) target, the reaction is mu p -> mu' p' Lambda, where the Lambda decays into a proton and pion (Lambda -> p pi). Detecting the p and pi decay products in coincidence with the scattered muon mu' should therefore provide a clear signature of the elusive kaon meson.

Data with muon beam and hydrogen target have been collected by the COMPASS experiment at CERN. Recoiling particles were detected and identified using a large Time-Of-Flight recoil detector. The objective of the internship is to use the available data in order to identify first the recoiling protons, then the recoiling pions and finally the coincidence between protons and pions that combine into a Lambda particle.
Mots clés/Keywords
physique hadronique, quarks, hadron, nucléon, quark étrange
hadronic physics, quarks, hadron, nucleon, strange quark
Compétences/Skills
Méthodes fondamentales de la physique expérimentale: Simulation d'expérience par technique moderne de Monte-Carlo, traitement et analyse statistique de grandes quantités de données, comparaison à des calculs théoriques.
Fundamentals methods of experimental physics: simulation of the experimental equipment by modern Monte-Carlo techniques, statistical analysis of big samples of data, comparison with theoretical calculations.
Logiciels
C++, Geant, environnement ROOT,
PDF
Etude théorique et numérique de l'émergence des corrélations spatiales dans les systèmes branchants.
Formal and numerical study of the emergence of spatial correlations in branching systems.

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/04/2022

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

DUMONTEIL Eric
+33 1 69 08 56 02

Résumé/Summary
Ce sujet de stage propose d'étudier l'apparition de structures spatiales dans les systèmes branchants, à l'aide d'une approche Lagrangienne. Les résultats théoriques seront confortés par des simulations Monte-Carlo.
This internship topic proposes to study the appearance of spatial structures in branching systems, using a Lagrangian approach. Theoretical results will be confirmed by Monte-Carlo simulations.
Sujet détaillé/Full description
L'étude des marches aléatoires branchantes permet de décrire de nombreux phénomènes tels que la propagation des épidémies, la transmission génétique au sein de populations, la mécanique quantique ou le transport des neutrons dans les milieux fissiles pour n'en citer que quelques-uns.

Dans ce dernier domaine par exemple, des travaux récents ont montré que des structures spatiales (phénomène de "clustering") pouvaient émerger au sein de la population de neutron présente dans un réacteur nucléaire [1], que l'on caractérise à l'aide de la fonction de corrélation spatiale (ou fonction à deux points). Des approches fondées sur l'utilisation d'outils de la théorie quantique des champs (QFT) ont permis de caractériser cette fonction de corrélation, mais montrent des limites vis à vis de l'étude de certaines grandeurs (notamment concernant le calcul de diverses observables dans la vicinité du point critique).

Ce stage propose par conséquent de mettre au point une approche Lagrangienne dans cet objectif, en calquant une technique élaborée par Doi et Peliti [2] et reprise par Garcia-Millan [3], afin de retrouver les résultats de l'approche QFT puis d'étendre ces derniers à différentes observables. Pour ce faire, il conviendra d'ajouter un opérateur de diffusion au Lagrangien, prenant ainsi en compte le phénomène de transport de l'espèce considérée (neutrons en physique des réacteurs, virus en épidémiologie, configurations en mécanique quantique). Les résultats de ces développements formels pourront alors être confirmés numériquement à l'aide d'un code Monte-Carlo simplifié d'ores et déjà développé en Python. Il conviendra par conséquent d'implémenter dans ce code le calcul de différentes grandeurs d'intérêt (corrélations temporelles, spatiales, taille et fluctuations de la population, ...), et de réaliser une analyse spectrale de la distribution obtenue (calcul des modes propres du système), pour finalement essayer d'extrapoler les résultats obtenus pour des milieux critiques ou sur/sous-critiques.

Le candidat recherché doit être en dernière année d'école d'ingénieur ou en master recherche de physique théorique, de physique fondamentale ou d'ingénierie nucléaire. Il doit avoir des connaissances de base en modélisation mathématique et en physique statistique (ex: probabilités, calcul stochastique, marches aléatoires, transitions de phase) et être capable de réaliser des développements informatiques en C++ ou en Python.

Ce travail sera basé sur le centre de Saclay du CEA (Orme des Merisiers) mais se fera en collaboration étroite avec l'IRSN de Fontenay-aux-Roses (contact: Benjamin Dechenaux). Il peut à ce titre nécessiter des déplacements réguliers entre ces 2 centres.

[1] E. Dumonteil et al. Nature Commun Phys 4, 151 (2021).
[2] M. Doi, J. Phys. A: Math. Gen. 9, 1465 (1976).
[3] L. Peliti, J. Phys. (Paris) 46, 1469 (1985).
[3] R. Garcia-Millan, Phys. Rev. E 98, 062107 (2018).
The study of branching random walks allows to describe many phenomena such as the propagation of epidemics, genetic transmission within populations, quantum mechanics or neutron transport in fissile media, just to name a few.

In the latter field, for example, recent work has shown that spatial structures (clustering) can emerge within the neutron population present in a nuclear reactor [1], which can be characterized using the spatial correlation function (or two-point function). Approaches based on the use of quantum field theory (QFT) tools have been used to characterize this correlation function, but show limitations with respect to the study of certain quantities (in particular concerning the calculation of various observables in the vicinity of the critical point).

This internship therefore proposes to develop a Lagrangian approach for this purpose, closely following an approach developed by Doi and Peliti [2] and taken up by Garcia-Millan [3], in order to recover the results of the QFT approach and then to extend them to different observables. To do so, it will be necessary to add a diffusion operator to the Lagrangian, thus taking into account the transport phenomenon of the species considered (neutrons in reactor physics, viruses in epidemiology, configurations in quantum mechanics). The results of these formal developments can then be confirmed numerically using a simplified Monte-Carlo code already developed in Python. It will therefore be necessary to implement in this code the calculation of various quantities of interest (temporal and spatial correlations, size and fluctuations of the population, ...), and to carry out a spectral analysis of the obtained distribution (calculation of the eigenmodes of the system), to finally try to extrapolate the results obtained for critical or over/sub-critical environments.

The candidate should be in the last year of an engineering school or in a research master in theoretical physics, fundamental physics or nuclear engineering. He/she should have basic knowledge in mathematical modeling and statistical physics (e.g. probabilities, stochastic calculus, random walks, phase transitions) and be able to perform computer developments in C++ or Python.

This work will be based at the CEA's Saclay center (Orme des Merisiers) but will be done in close collaboration with the IRSN in Fontenay-aux-Roses (contact: Benjamin Dechenaux). As such, it may require regular travel between these 2 centers.

[1] E. Dumonteil et al. Nature Commun Phys 4, 151 (2021).
[2] M. Doi, J. Phys. A: Math. Gen. 9, 1465 (1976).
[3] L. Peliti, J. Phys. (Paris) 46, 1469 (1985).
[3] R. Garcia-Millan, Phys. Rev. E 98, 062107 (2018).
Logiciels
Python or C++
PDF
Extraction des rendements de fission de l'U-235 via l'analyse des données du spectromètre gamma FIPPS
Data analysis from FIPPS gamma-ray spectrometer : extraction of U-235 fission yields

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

17/03/2022

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Materna Thomas
+33 1 69 08 40 91

Résumé/Summary
L’étude des rayons gamma émis par les fragments de fission permet de sonder les propriétés les plus fondamentales du processus de fission mais aussi de produire des données importantes pour les simulations des réacteurs nucléaires. L’objet du stage est d'analyser les premières mesures réalisées avec une cible active sur le nouveau spectromètre FIPPS de l'ILL pour en extraire les rendements de fission thermique de l’U-235.
Studying the gamma-rays emitted by fission fragments is a way to reveal the main properties of the fission process but it gives access as well to important data for nuclear reactor simulations. The internship purpose is to analyze the first experiment performed with a fissile target on the new FIPPS spectrometer of the ILL in order to extract U-235 fission yields.
Sujet détaillé/Full description
Au sein de l’Irfu, notre laboratoire étudie expérimentalement la réaction de fission avec notamment des spectromètres de haute précision installés sur le réacteur à haut flux de Grenoble. Notre objectif est d’améliorer les modèles de fission et de désexcitation des fragments dans le cadre des simulations des réacteurs nucléaires mais aussi d'explorer des effets peu étudiés expérimentalement, comme l’influence de la forme des noyaux sur le processus de fission, la répartition des spins entre les deux fragments ou encore l’origine des grandes valeurs de spin des fragments de fission.

Ce stage s’inscrit dans l’étude que nous menons pour décrire les propriétés du processus de fission à l’aide des rayons gamma prompts émis par les fragments. L’étudiant(e) participera à l’analyse des dernières campagnes de mesure effectuées avec le nouveau spectromètre FIPPS installé auprès du réacteur de recherche de Grenoble (ILL). FIPPS est constitué d’un grand nombre de détecteurs de rayons gamma entourant une cible fissile placée dans un flux intense de neutrons thermiques. L’étudiant(e) sera en charge d’analyser les données prises avec une cible active d’U-235 pour en extraire les rendements de fission avec une bonne précision.

De bonnes connaissances en physique nucléaire et un attrait marqué pour l’expérimentation et l’analyse des données sont indispensables. L’analyse des données s’effectuera avec un code développé en C++ et basé sur ROOT. Une connaissance du logiciel de simulation Geant4 et de l’environnement ROOT est un atout sans être une obligation.
Our lab at IRFU performs experimental studies on the nuclear fission reaction with, in particular, high-resolution spectrometers installed at the high-flux reactor of Grenoble. Goals are to improve fission models and description of the fragment de-excitation process used in simulation codes for nuclear reactor design but also to explore experimentally less-studied areas like the influence of the nuclear shapes on the fission process, the repartition of angular momentum between the two fragments or the origin of high spins in fission fragments.

The proposed internship is linked to our study on the properties of the fission process by using the gamma rays emitted by fission fragments. The student will participate to the data analysis of the first experiment campaigns performed with the new FIPPS spectrometer installed at the research reactor of Grenoble (ILL). FIPPS is made of a large array of gamma-ray detectors placed around a fissile target that is irradiated with an intense thermal neutron flux. The student will be in charge of analyzing data taken with an active U-235 target in order to extract fission yields with a good accuracy.

A strong background in nuclear physics and a pronounced interest for experimental work and data analysis is essential. Data analysis will be performed with in-house software developed in C++ and based on ROOT. Knowledge of Geant4 simulation software and the ROOT environment is an asset but not an obligation.
Mots clés/Keywords
spectroscopie gamma, fission nucléaire, physique des réacteurs
gamma-ray spectrocopy, nuclear fission, reactor physics
Compétences/Skills
- Spectroscopie gamma avec des détecteurs Germanium et analyse des spectres. - Traitement de larges quantités de données multidimensionnelles. - Programmation en C++ avec l'environnement, les librairies ROOT (CERN). - Simulation des détecteurs avec le code GEANT4
- Gamma-ray spectroscopy with HPGe detectors and analysis of gamma-ray spectra. - Processing of large multidimensional datasets. - Programming in C++ using ROOT (CERN) libraries. - Simulation of the spectrometer with Geant4.
PDF
Faisabilité des mesures PQG futures au LHC
Feasibility of future QGP measurements at the LHC

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2022

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

WINN Michael
+33 1 69 08 55 86

Résumé/Summary
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 dileptons, messagers des premiers instants des collision noyau-noyau. De plus, un travail plus phénoménologique concernant la production de dileptons pourrait être abordé avec des collègues théoriciens.
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 dilepton measurements, messengers of the very early phase of the nucleus-nucleus collision. Additionally, a more phenomenological work regarding dilepton production could be addressed with theory colleagues.
Sujet détaillé/Full description
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 cette approche, l'étude des premiers instants de la collision sont essentiels pour comprendre comment le système se thermalise. Expérimentalement, ces premiers instants sont difficiles à accéder. L'une des sondes privilégiée est la production de dileptons, produits au début de la collision et dont la propagation n'est pas affectée par la présence de PQG.

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 production de dileptons.

L'un des défis de cette mesure expérimentale est le rejet du bruit de fond provenant des désintégrations faibles des hadrons contenant un quark charmé ou un quark beau. Le stage propose de développer de nouvelles méthodes de rejet de bruit de fond basées sur la durée de vie finie des hadrons beaux et charmés. Ce travail se basera sur des outils de simulation Monte Carlo rapides. En fonction de l'intérêt du candidat, un aspect plus phénoménologique pourra être abordé basé sur la description du système thermodynamique avec des concepts d'équilibre thermique local. Le candidat se familiarisera avec la physique du PQG, la physique des détecteurs, 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 this description, the early stages of heavy-ion collisions are central to define how the system approaches thermalization. Experimentally, these early stages of heavy-ion collisions are difficult to access. One of the privileged probes is dilepton emission, produced at the beginning of the collision and of which the propagation is unaffected by the presence of the QGP.

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 dilepton production.

One of the main challenges of experimental measurement is the rejection of background from weak decays of hadrons containing a charm or a beauty quark. The internship's objective is the development of new background rejection methods based on the finite lifetime of the beauty and charm hadrons. The work will be based on fast Monte Carlo simulation tools. Depending on the candidate's interest, phenomenological aspects could be envisaged based on the successful description of the thermodynamic system with local thermal equilibrium concepts. The candidate will familiarise himself/herself with the physics of the QGP, detector physics, basic C++ programming if wished, and basics in data analysis.
Mots clés/Keywords
Physique des particules; QGP, LHC, electromagnetic radiation
Particle physics; QGP, LHC, electromagnetic radiation
Compétences/Skills
Cinématique relativiste, programmation, simulations Monte-Carlo
Relativistic kinematics, programming, Monte Carlo simulations
Logiciels
C++
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Mise œuvre et validation du détecteur véto muon pour l’expérience de diffusion cohérente de neutrinos NUCLEUS.

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

29/04/2022

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Lhuillier David
+33 1 69 08 94 97

Résumé/Summary
Ce stage se déroule dans le cadre de l'expérience NUCLEUS qui cherche à détecter la diffusion cohérente des neutrinos de réacteur sur les noyaux. Il porte sur la caractérisation du véto muon de l'expérience, élément clé de la réjection du bruit de fond.
Sujet détaillé/Full description
L’expérience NUCLEUS a pour objectif de réaliser la première détection de la diffusion cohérente des neutrinos de réacteur sur les noyaux atomiques. La mesure précise de ce nouveau couplage des neutrinos avec la matière offre des perspectives uniques de recherche d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard. La section efficace d’interaction de ce processus est plusieurs ordres de grandeurs supérieure à celle de la désintégration beta-inverse, utilisée jusqu’à présent par toutes les expériences de détection de neutrinos, mais sa signature se réduit à un infime recul d’un noyau. Dans le cas de NUCLEUS la gamme d’énergie des reculs recherchés est autour de 100 eV seulement. Une énergie détectable par les bolomètres de saphir et de CaWO4 qui seront utilisés comme cibles car ils atteignent aujourd’hui des seuils de détection de 20 eV. L’installation de l’expérience est prévue en 2023 sur le site EDF de Chooz dans les Ardennes, à environ 80 m des deux cœurs de 4 GW. Un montage complet du dispositif sera réalisé auparavant à Munich pour valider les spécifications de toutes les composantes du dispositif.
Un des principaux challenges de la mesure sera de rejeter les bruits de fond à un niveau nettement en-dessous du faible taux de comptage neutrino attendu, de l’ordre de 1/jour pour la première phase de NUCLEUS avec 10g de cible. Notre institut est en charge du véto muon de l’expérience, un blindage actif disposé autour du détecteur central qui doit signer le passage à proximité du détecteur des rayons cosmiques, principale source de bruit de fond. Il est constitué de 28 modules, assemblés sous forme de cube pour une couverture la plus hermétique possible du dispositif central hébergeant les bolomètres.
La période du stage correspondra à la réception au CEA des modules, actuellement en fabrication. Chaque module contient un panneau de plastique scintillant dont le signal lumineux est capté par des fibres optiques connectées à des Silicon-Photomultipliers (SiPM). L’étudiant(e) participera à l’ensemble de la préparation du détecteur avant son envoi à Munich. Le travail comprendra le montage des modules et leur caractérisation : la calibration des SiPMs, l’homogénéité de la réponse aux rayons cosmiques, l’efficacité de détection et la réjection du bruit de fond des rayons gammas. En parallèle de la validation des modules, l’étudiant(e) développera une première version du traitement des données de la configuration finale comprenant la procédure d’ajustement des seuils, les conditions de trigger et le suivi automatique des performances des modules.
Ce travail de stage offre donc une formation complète sur un système de détection, depuis son montage jusqu’à l’exploitation de ses données. Il se fera en étroite collaboration avec le département de physique des particules (IRFU-DPhP) et dans le cadre de la collaboration internationale de NUCLEUS, devant laquelle le (la) stagiaire présentera ses résultats. Des aptitudes pour la programmation sont préférables mais non obligatoires. Le stage est ouvert à des étudiants M1 ou M2, dans ce dernier cas une thèse est envisageable dans la continuité.
The NUCLEUS experiment aims at realizing the first detection of coherent scattering of reactor neutrinos on atomic nuclei. The precise measurement of this new coupling of neutrinos with matter offers unique perspectives for the search of new physics beyond the standard model. The interaction cross section of this process is several orders of magnitude larger than that of the inverse beta decay, used so far by all neutrino experiments, but its signature is reduced to a tiny recoil of a nucleus. In the case of NUCLEUS, the energy range of the recoil is around 100 eV only. An energy detectable by the Al2O3 and CaWO4 bolometers which will be used as targets because they reach today detection thresholds of 20 eV. The installation of the experiment is planned for 2023 on the EDF site of Chooz in the Ardennes, about 80 m from the two 4 GW cores. A complete assembly of the device will be carried out beforehand in Munich to validate the specifications of all the components of the experimental setup.
One of the main challenges of the measurement will be to reject the background at a level well below the expected low neutrino count rate, of the order of 1/day for the first phase of NUCLEUS with 10g target. Our institute is in charge of the muon veto of the experiment, an active shielding around the central detector which must sign the passage of cosmic rays, the main source of background noise, near the detector. It consists of 28 modules, assembled in the form of a cube for the most hermetic coverage of the central device hosting the bolometers.
The period of the training course will correspond to the reception at CEA-Irfu of the modules, currently in manufacture. Each module contains a panel of plastic scintillator whose light signal is captured by optical fibers connected to Silicon-Photomultipliers (SiPM). The student will participate in the entire preparation of the detector before it is shipped to Munich. The work will include the assembly of the modules and their characterization: the calibration of the SiPMs, the homogeneity of the response to cosmic rays, the detection efficiency and the rejection of the gamma-ray background. In parallel to the validation of the modules, the student will develop a first version of the data processing of the final configuration including the threshold adjustment procedure, the trigger conditions and the automatic monitoring of the modules performances.
This internship offers a complete training on a detection system, from its assembly to the exploitation of its data. It will be done in close collaboration with the particle physics department (IRFU-DPhP) and in the framework of the international NUCLEUS collaboration, to which the trainee will present his or her results. Programming skills are preferred but not required. The internship is open to M1 or M2 students, in the latter case a thesis is possible afterwards.
Mots clés/Keywords
physique des particules, physique des réacteurs, neutrinos
particle physics, reactor physics, neutrinos
Compétences/Skills
Calibration des scintillateurs Banc de test cosmique Analyses statistiques des données
Calibration of scintillators Cosmic test bench Statistical analysis of data
Logiciels
Langages C++ Logiciels ROOT et GEANT4
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Première mesure de la résonance pygmée par diffusion inélastique de neutrons. Préparation de l’expérience.
First measurement of the pygmy resonance using neutron inelastic scattering. Preparation of the experiment.

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/06/2022

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

VANDEBROUCK Marine
+33 1 69 08 73 87

Résumé/Summary
Nous proposons d’étudier la résonance pygmée, mode de vibration du noyau qui correspond à l'oscillation d'une peau de neutrons, en utilisant une approche innovante : la diffusion inélastique de neutrons. L’objectif du stage est de préparer l’expérience qui aura lieu à l’automne 2022.
We propose to study the pygmy resonance, a vibration excitation of the nucleus that corresponds to the oscillation of a neutron skin, using an innovative approach: the neutron inelastic scattering reaction. The objective of the internship is to prepare the experiment that will be performed in fall 2022.
Sujet détaillé/Full description
La résonance géante dipolaire, qui correspond à l’oscillation en opposition de phase des protons en neutrons, est un mode de vibration bien connu du noyau situé entre 12 et 24 MeV d’énergie d’excitation. Dans les noyaux riches en neutrons, une résonance dipolaire additionnelle a été observée proche du seuil d’émission neutron. Cette petite structure, en comparaison de la résonance géante dipolaire, est communément appelée résonance dipolaire pygmée (PDR) et est décrite comme l’oscillation d’une peau de neutrons contre un cœur symétrique en nombre de protons et de neutrons. La PDR a été le sujet de nombreuses études à la fois expérimentales et théoriques [Sav13, Bra19]. En effet, l’étude de la PDR a suscité et suscite toujours beaucoup d’intérêt puisqu’elle permet de contraindre l’énergie de symétrie, un ingrédient important de l’équation d’état de la matière nucléaire [Car10] qui décrit la matière au sein des étoiles à neutrons. De plus, la présence d’une résonance dipolaire proche du seuil d’émission neutron est prédite comme pouvant jouer un rôle clé dans le processus-r (processus qui pourrait expliquer la synthèse des noyaux lourds) via l’augmentation du taux de capture neutronique [Gor04].

Cependant, malgré de nombreux résultats expérimentaux, une description cohérente de la PDR n’a pas pu être extraite [Sav13, Bra19]. Dans ce contexte, nous proposons d’aller étudier la PDR en utilisant une nouvelle méthode expérimentale : la diffusion inélastique de neutrons. Cette nouvelle sonde, élémentaire car composée d’un seul nucléon, non soumise à l’interaction coulombienne car neutre, est une approche originale qui apportera un regard neuf sur la nature de la PDR. Dans le cadre d’une collaboration internationale menée par l’Irfu/DPhN et l’IJCLab, une expérience visant à étudier la résonance pygmée dans le 140Ce a récemment été acceptée au GANIL-SPIRAL2 sur NFS (Neutrons For Science) [Led21] et sera programmée à l’automne 2022. Le dispositif expérimental sera constitué des multi-détecteurs de nouvelle génération PARIS pour la détection des gammas issus de la désexcitation de la PDR et MONSTER pour la détection des neutrons diffusés. Il s’agira de la première expérience de structure nucléaire auprès du nouvel accélérateur SPIRAL2.

L’objectif de ce stage est la préparation de cette expérience qui fait également l’objet du sujet de thèse associé à ce stage « Première mesure de la résonance pygmée par diffusion inélastique de neutrons ». En effet, dans le cadre de cette proposition d’expérience, un temps de faisceau test nous a été accordé en décembre 2021 pour anticiper le réglage de certains paramètres de l’expérience. Pendant le stage, l’étudiant pourra donc poursuivre l’analyse des données du test. Le stagiaire pourra ainsi se familiariser avec l’analyse de données et les techniques expérimentales qui seront, par la suite, utilisées pendant la thèse de doctorat.

[Bra19] A. Bracco et al. Prog. Part. Nucl. Phys. 106 (2019)
[Car10] A. Carbone et al. Phys. Rev. C 81(R) (2010)
[Gor14] S. Goriely et al. Nucl. Phys. A 739 (2004)
[Led21] X. Ledoux et al. EPJA 57 (2021)
[Sav13] D. Savran et al. Prog. Part. Nucl. Phys. 70 (2013)
The well-known giant dipole resonance, which corresponds to the oscillation of the neutron fluid against the proton fluid, is a broad resonance with a mean energy between 12 and 24 MeV. An additional dipole resonance has been observed at lower energy in neutron-rich nuclei, near the neutron separation threshold. This small-size structure, in comparison to the giant dipole resonance, is commonly known as the pygmy dipole resonance (PDR) and can be described as the oscillation of a neutron skin against a symmetric proton/neutron core. The PDR has been the subject of numerous studies, both experimental and theoretical [Sav13, Bra19]. Indeed, the study of the PDR has raised a lot of interest since it can constrain the symmetry energy, an important ingredient of the equation of state [Car10] which describes the matter in neutron stars. In addition, the enhancement of the dipole strength close to the neutron separation energy is expected to impact the astrophysical r-process (process that could explain the synthesis of heavy nuclei) by increasing the neutron capture rates [Gor04].

However, despite many experimental results, a consistent description of the PDR could not be extracted [Sav13, Bra19]. In this context, we propose to study the PDR using a new experimental method: the neutron inelastic scattering. This new probe which is elementary from a nucleonic point of view and neutral, thus not influenced by the Coulomb interaction, is an original approach that will provide a new perspective on the nature of the PDR. In the framework of an international collaboration led by Irfu/DPhN and IJCLab, an experiment to study the pygmy resonance in 140Ce has recently been accepted at GANIL-SPIRAL2 on NFS (Neutrons For Science) [Led21] and will be scheduled in fall 2022. The experimental set-up will consist of the new generation multi-detectors PARIS for the detection of gammas coming from the PDR de-excitation and MONSTER for the detection of scattered neutrons. This will be the first nuclear structure experiment with the new SPIRAL2 accelerator.

The objective of this internship is the preparation of this experiment which is also the subject of the thesis associated with this internship "First measurement of the pygmy resonance using neutron inelastic scattering". Indeed, within the framework of this experiment proposal, a test beam time has been granted to us in December 2021 to anticipate the tuning of some parameters of the experiment. During the internship, the student will therefore be able to continue the analysis of the test data. This will allow him/her to become familiar with the data analysis and experimental techniques that will later be used during the PhD thesis.

[Bra19] A. Bracco et al. Prog. Part. Nucl. Phys. 106 (2019)
[Car10] A. Carbone et al. Phys. Rev. C 81(R) (2010)
[Gor14] S. Goriely et al. Nucl. Phys. A 739 (2004)
[Led21] X. Ledoux et al. EPJA 57 (2021)
[Sav13] D. Savran et al. Prog. Part. Nucl. Phys. 70 (2013)
Mots clés/Keywords
Structure nucléaire – Mode de vibration du noyau – Détection neutrons et gammas.
Nuclear structure – Vibration excitations of the nucleus – Neutron and gamma detection.
Logiciels
C++, ROOT
PDF
Recherche d’un nouveau type de radioactivité : la double décroissance alpha
Search for a new mode of radioactivity: double alpha decay

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/05/2022

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

THEISEN Christophe
+33 1 69 08 74 54

Résumé/Summary
Nous proposons une étude théorique et expérimentale d’un nouveau type de radioactivité nucléaire qui reste à découvrir : la double décroissance alpha. Le stage permettra de se familiariser avec les volets théoriques et expérimentaux en vue de nouvelles expériences qui pourraient mener à la découverte de cette nouvelle radioactivité.
We propose a theoretical and experimental study of a new type of nuclear radioactivity that remains to be discovered: the double alpha decay. The internship will allow to become familiar with the theoretical and experimental aspects in view of new experiments that could lead to the discovery of this new radioactivity.
Sujet détaillé/Full description
Plus d’un siècle après la découverte de la radioactivité par H. Becquerel, de nombreux modes de décroissance ont été découverts : alpha, beta, fission, neutron, proton, double-proton, double-beta, cluster, etc. Une somme considérable de travaux a été réalisée aussi bien théoriquement qu’expérimentalement. Découvrir un nouveau type de radioactivité est par conséquent complexe mais excitant. La récente prédiction d'un nouveau mode de radioactivité par l'équipe d'accueil [1] – l'émission symétrique de deux particules alphas par le noyau – permet d’envisager sa détection. En effet, les temps de vies prédits, bien que très longs, sont du même ordre de grandeur que ceux d’autres radioactivités rares comme l’émission de cluster.

Le stage permettra de se familiariser avec les calculs théoriques et les techniques expérimentales. L’étudiant approfondira les méthodes microscopiques permettant de calculer divers types de radioactivité. Il prendra en main les outils de calculs. La partie expérimentale permettra une première approche de la détection alpha à l’aide de détecteurs Si segmentés : détecteur, électronique, acquisition et analyse.

De bonnes bases en physique nucléaire théorique (problème à N-corps) et expérimentale sont requises. L’étudiant sera encadré par Ch. Theisen, expérimentateur au CEA/Irfu (Saclay), E. Khan, théoricien à l’IJCLab (Orsay), et par J.-P. Ebran, théoricien au CEA/DAM. La poursuite par une thèse sera proposée avec, selon les compétences et appétences du candidat, une dominante soit théorique, soit expérimentale, dans un contexte international (CERN) riche et stimulant.

[1] F. Mercier, J. Zhao, J.-P. Ebran, E. Khan, T. Nikši?, and D. Vretenar, Phys. Rev. Lett. 127, 012501 (2021)
More than a century after the discovery of radioactivity by H. Becquerel, many decay modes have been discovered: alpha, beta, fission, neutron, proton, double-proton, double-beta, cluster, etc. A tremendous amount of work has been done both theoretically and experimentally. Discovering a new type of radioactivity is therefore complex but exciting. The recent prediction of a new mode of radioactivity by the team responsible for the present project [1], the symmetrical emission of two alphas by the nucleus, makes it possible to envisage its detection. Indeed, the predicted lifetimes, although very long, are of the same order of magnitude as those of other rare radioactivities such as cluster emission.

The internship will allow the student to become familiar with theoretical calculations and experimental techniques. The student will study microscopic methods for calculating various types of radioactivity. He will learn how to use the software. The experimental part will allow a first approach of the alpha detection using Si segmented detectors: detectors, electronics, acquisition and analysis.

A good background in theoretical (N-body problem) and experimental nuclear physics is required. The student will be supervised by Ch. Theisen, experimentalist at CEA/Irfu (Saclay), E. Khan, theoretician at IJCLab (Orsay), and by J.-P. Ebran, theoretician at CEA/DAM. The continuation with a thesis will be proposed with, according to the competences and interest of the candidate, a main focus either theoretical or experimental, in a rich and stimulating international context (CERN).

[1] F. Mercier, J. Zhao, J.-P. Ebran, E. Khan, T. Nikši?, and D. Vretenar, Phys. Rev. Lett. 127, 012501 (2021)
Mots clés/Keywords
physique nucléaire, radioactivité, théorie, détecteurs
nuclear physics, radioactivity, theory, detectors
Compétences/Skills
physique nucléaire expérimentale et théorique, programmation
experimental and theoretical nuclear physics, programming
Logiciels
root, C++
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Test de techniques d'apprentissage automatique (machine learning) pour l'analyse des propriétés des niveaux nucléaires
Investigation of machine learning techniques for the analysis of nuclear level properties

Spécialité

PHYSIQUE

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/03/2022

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

DUPONT Emmeric
+33 1 69 08 75 53

Résumé/Summary
L'objectif du stage est d'initier le développement de méthodes et d'outils d'apprentissage automatique (ML) pour l'analyse des propriétés des niveaux nucléaires.
The objective of the internship is to initiate the development of machine learning (ML) methods and tools for the analysis of nuclear level properties.
Sujet détaillé/Full description
Les noyaux atomiques peuvent se trouver dans différents états (ou niveaux) d'excitation caractérisés par leur énergie et leurs nombres quantiques. Ces niveaux discrets ont été étudiés à travers la carte des nucléides et leurs propriétés sont bien connues en ce qui concerne leur espacement ou leur largeur par exemple. De nos jours, les propriétés de plus de 100000 niveaux discrets sont stockées dans de grandes bases de données internationales telles que le Fichier de données de structure nucléaire évaluées (ENSDF) ou encore divers fichiers de données de réactions nucléaires évaluées (comme ENDF/B, JEFF...).


L'étudiant explorera et recoupera ces bases de données dans le but d'en déduire les propriétés des niveaux en utilisant à la fois des techniques d'apprentissage automatique et des méthodes standard. Le travail comprendra les étapes suivantes,
  • Compilation et traitement des caractéristiques expérimentales des niveaux nucléaires pour l'ensemble de la carte des noyaux (avec l'analyse ML à l'esprit)
  • Analyse statistique standard des propriétés des niveaux des noyaux : distribution des largeurs partielles et des espacements de niveaux, densité de niveaux, paramètres moyens, etc.
  • Etude et application des techniques de ML pour déduire les propriétés des niveaux
  • Comparaison des deux approches


    L'étudiant travaillera à Saclay dans l'équipe n_TOF du Département de Physique Nucléaire (DPhN) avec des physiciens expérimentateurs ayant une forte expertise dans les domaines des réactions nucléaires et de la structure nucléaire.
  • The atomic nuclei may be found in different states (or level) of excitation characterized by their energy and quantum numbers. Those discrete levels have been studied across the nuclide chart and their properties are well known with respect to their spacing or their width for example. Nowadays, the properties of more than 100000 discrete levels are stored in large international databases such as the Evaluated Nuclear Structure Data File (ENSDF) or even various evaluated nuclear reaction data files (such as ENDF/B, JEFF...).


    The student will explore and cross-check these databases with the aim to infer levels properties using both machine learning techniques and standard methods. The work will consist of the following steps,
  • Compilation and processing of experimental nuclear level characteristics for the whole nuclide chart (with ML analysis in mind)
  • Standard statistical analysis of level properties across the nuclide chart: distribution of partial widths and level spacings, level density, average parameters, etc.
  • Investigation and application of ML techniques to infer level properties
  • Comparison of the two approaches


    The student will work at Saclay in the n_TOF team of the Nuclear Physics Department (DPhN) with experimental physicists having a strong expertise in the fields of nuclear reactions and nuclear structure.
  • Mots clés/Keywords
    physique nucléaire, structure nucléaire, réaction nucléaire, données nucléaires
    nuclear physics, nuclear structure, nuclear reaction, nuclear data
    Compétences/Skills
    apprentissage automatique, statistique, exploration de données, bases de données nucléaires (ENSDF, ENDF)
    machine learning, statistics, data mining, nuclear databases (ENSDF, ENDF)
    PDF
    Tomographie du nucléon : imager les gluons à l’intérieur du proton
    Nucleon tomography: imaging the glue inside the proton

    Spécialité

    Physique nucléaire

    Niveau d'étude

    Bac+5

    Formation

    Master 2

    Unité d'accueil

    Candidature avant le

    30/06/2022

    Durée

    3 mois

    Poursuite possible en thèse

    oui

    Contact

    SOKHAN Daria
    +33 1 69 08 56 27

    Résumé/Summary
    Le projet se concentre sur des simulations de diffusion d’électrons au collisionneur électron-ion, la prochaine grande installation mondiale de physique des hadrons, qui sera construite aux États-Unis. Les processus de diffusion d'électrons étudiés sont sensibles à la structure interne du proton.
    The internship project will focus on simulations of scattering at the Electron-Ion Collider, the world’s next main hadron physics facility, which will be built in the US. The electron scattering processes under study are sensitive to the internal structure of the proton.
    Sujet détaillé/Full description
    La diffusion d'électrons de haute énergie sur un proton est l'une des techniques expérimentales les plus performantes dans l'étude de sa structure. Des expériences à l'accélérateur linéaire SLAC dans les années 1950 et 1960, utilisant un faisceau d'électrons et une cible fixe d'hydrogène, ont montré que le proton avait une extension spatiale et possédait des centres de diffusion ponctuels à l'intérieur, appelés partons. L’identification ultérieure de ces centres de diffusion comme quarks a conduit à la compréhension du proton comme un état lié de quarks, confinés par l'interaction forte via l'échange de gluons. La théorie de la chromodynamique quantique (QCD) décrit ces interactions, mais ses équations ne peuvent pas être résolues analytiquement pour calculer les propriétés du proton. Notre compréhension de la structure du proton repose donc fortement sur son étude expérimentale.

    Bien que de nombreux progrès aient été réalisés au cours des 65 dernières années, de nombreuses questions fondamentales demeurent : quelle est la composition du spin du proton, comment sa masse est-elle générée à partir de quarks presque sans masse, quelle est la nature du confinement des quarks dans les états liés appelés hadrons ? Caractériser les distributions des quarks et des gluons à l'intérieur du proton apporte des éléments de réponse à ces questions et permet ainsi de mieux comprendre la matière qui constitue plus de 99% de la masse visible de l'univers.

    Un certain nombre d'expériences sont actuellement en cours dans différents accélérateurs autour du monde, mais leurs énergies dans le centre de masse les spécialisent à l’étude de la région des quarks de valence du proton, c’est-à-dire celle où trois quarks constitutifs partagent également la quantité de mouvement du proton. Cependant, à des énergies de centre de masse plus élevées, il est possible d'accéder à la mer de quarks et de gluons, où le proton semble plutôt se composer de paires quark anti-quark de saveurs différentes et d'un ensemble dense de gluons. Cette région dominée par les gluons a été très peu explorée en diffusion d'électrons, mais un nouvel accélérateur pour l'étudier avec une précision inégalée sera bientôt construit au Brookhaven National Laboratory aux États-Unis : l'Electron-Ion Collider (EIC) [1].

    L'EIC, qui devrait entrer en opération en 2032, collisionnera des faisceaux d'électrons polarisés de haute intensité avec des faisceaux de protons polarisés, d'ions légers et de noyaux lourds non polarisés. Si le transfert de quantité de mouvement dans l'interaction est suffisamment élevé, l’électron diffuse sur un quark à l'intérieur du proton et peut entraîner la production d'autres particules, comme un photon ou un méson de haute énergie (une paire de quark anti-quark). La reconstruction de ces interactions et la mesure des distributions des particules diffusées et produites peuvent donner accès aux distributions en position et en quantité de mouvement des quarks à l'intérieur du proton. En particulier, certains processus sont sensibles aux distributions de partons généralisées (GPD), qui peuvent être interprétées comme reliant la position spatiale transversale des quarks à leur quantité de mouvement longitudinale [2]. Celles-ci, à leur tour, fournissent des informations sur la composition des distributions de spin et de pression à l'intérieur du proton [3] et peuvent être utilisées pour construire des images tomographiques 3D de la structure du proton [4]. Aux énergies accessibles à l'EIC, cela fournira une cartographie du proton dans la région dominée par les gluons. La conception des détecteurs permettant ces mesures est actuellement en cours.

    Le stage se déroulera au Laboratoire de Structure du Nucléon (LSN) de l'Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers (IRFU). Il se concentrera sur l'étude des processus de diffusion sensibles aux GPD à l'EIC et sur l'optimisation des détecteurs. Plus précisément, il s'agira d'utiliser des programmes informatiques pour exécuter des simulations de processus de diffusion à l'EIC avec différentes configurations de détecteurs et d'analyser, à l'aide de techniques statistiques, les données produites dans une simulation d'expérience. Le projet offre au candidat l'opportunité de participer à la conception des détecteurs du nouveau collisionneur et de contribuer à l'évaluation de son potentiel physique.

    Une connaissance préalable de la relativité restreinte et de la mécanique quantique est requise. Une expérience préalable en programmation est un avantage, notamment en C++ ou Python. Ce stage s'adresse à des étudiants de niveau master ou Grande École d'Ingénieurs. Sa durée peut être adaptée aux exigences académiques du candidat et peut aller de 3 à 6 mois ou plus. Ce projet de stage peut déboucher sur une thèse.

    [1] The Electron-Ion Collider Yellow Report (2021). Executive summary: http://www.eicug.org/web/sites/default/files/EIC_YR_Summary_v1.0.pdf
    [2] Garçon, M. “An introduction to the Generalized Parton Distributions”. Eur. Phys. J. A 18, 389–394 (2003).
    [3] Kumeri?ki, K. “Measurability of pressure inside the proton.” Nature 570, E1–E2 (2019).
    [4] Moutarde, H., Sznajder, P. & Wagner, J. “Border and skewness functions from a leading order fit to DVCS data.” Eur. Phys. J. C 78, 890 (2018).
    The scattering of high energy electrons from a proton is one of the most powerful experimental tools in the study of its structure. Experiments at the SLAC linear accelerator in the 1950s and 60s, using a beam of electrons and a fixed hydrogen target, showed that the proton had spatial dimensions and identified point-like scattering centers inside it, called partons. The later recognition of these scattering centers as quarks led to the understanding of the proton as a bound state of quarks, confined by the strong interaction which is mediated by the exchange of gluons. The theory of Quantum Chromodynamics (QCD) describes these interactions, but its equations cannot be solved analytically to calculate the proton’s properties. Our understanding of the proton’s structure is therefore strongly reliant on its experimental study.

    While a lot of progress has been made in the past 65 years, many of the fundamental questions remain: what is the composition of proton spin, how exactly is its mass generated from the almost-massless quarks, what is the nature of quark confinement into bound states, called hadrons? Understanding the distributions of quarks and gluons inside the proton helps to address these questions and thus provide a deeper understanding of the matter which makes up over 99% of the visible mass of the universe.

    A number of experiments are currently underway at different accelerators around the world, but they are mainly focused on the lower centre-of-mass energies which scan the valence quark region of the proton: where three constituent quarks share the proton momentum equally among them. At higher centre-of-mass energies, however, it is possible to access the quark-gluon sea, where the proton instead appears to consist of quark anti-quark pairs of different flavors and a dense sea of gluons. This glue-dominated region has been largely unexplored in electron scattering but a new accelerator to study it with unprecedented precision will soon begin construction at Brookhaven National Lab in the USA: the Electron-Ion Collider (EIC) [1].

    The EIC, expected to start operation in 2032, will collide polarised, high intensity electron beams with beams of polarised protons, light ions and unpolarised heavy nuclei. If the transfer of momentum in the interaction is high enough, the scattering takes place from a quark inside the proton and may result in the production of other particles: such as a high energy photon and/or meson (quark anti-quark pair). Reconstructing these interactions and measuring the distributions of the scattered and produced particles can give access to the spatial and momentum distributions of quarks inside the proton. In particular, certain processes are sensitive to Generalised Parton Distributions (GPDs), which can be interpreted as relating transverse spatial position of quarks to their longitudinal momentum [2]. These, in turn, provide information on the composition of proton spin and pressure distributions [3] inside it and can be used to build tomographic 3D images of proton structure [4]. At the energies accessible at the EIC, this will provide a mapping of the gluon-dominated region of the proton. The design of the detectors to enable these measurements is currently underway.

    The internship project will take place in the Laboratoire de Structure du Nucléon (LSN) at the Institut de Recherche sur le Lois Fondamentales de l'Univers (IRFU). It will focus on the study of GPD-sensitive scattering processes at the EIC and on detector optimisation. Specifically, it will involve using computer programs to run simulations of the processes at EIC with different detector configurations and analyse, using statistical techniques, the simulated data in a mock-experiment. The project offers the candidate an opportunity to participate in the design of the detectors for the new collider and contribute to the evaluation of its physics potential.

    Prior knowledge of special relativity and quantum mechanics is mandatory. Prior programming experience is an advantage, especially in C++ or Python. This internship is aimed at the master level or at a student from the Grande Ecole d’Ingénieurs. Its duration can be adapted to the academic requirements of the candidate and can last from 3 to 6 months or longer. It may also lead to a PhD thesis.

    [1] The Electron-Ion Collider Yellow Report (2021). Executive summary: http://www.eicug.org/web/sites/default/files/EIC_YR_Summary_v1.0.pdf
    [2] Garçon, M. “An introduction to the Generalized Parton Distributions”. Eur. Phys. J. A 18, 389–394 (2003).
    [3] Kumeri?ki, K. “Measurability of pressure inside the proton.” Nature 570, E1–E2 (2019).
    [4] Moutarde, H., Sznajder, P. & Wagner, J. “Border and skewness functions from a leading order fit to DVCS data.” Eur. Phys. J. C 78, 890 (2018).
    Mots clés/Keywords
    physique hadronique, diffusion d'électrons, structure du proton, quarks, gluons
    hadron physics, electron scattering, proton structure, quarks, gluons
    Compétences/Skills
    Le projet s'agira d'utiliser des programmes informatiques pour exécuter des simulations de processus de diffusion à l'EIC avec différentes configurations de détecteurs (GEANT4) et d'analyser, à l'aide de techniques statistiques, les données produites dans une simulation d'expérience (ROOT).
    The project will involve using computer programs to run simulations of the processes at EIC with different detector configurations (GEANT4) and analyse, using statistical techniques, the simulated data in a mock-experiment (ROOT).
    Logiciels
    C++, Python
    PDF
    Tomographie du nucléon : le proton en 3D
    Nucleon tomography: the proton in 3D

    Spécialité

    Physique nucléaire

    Niveau d'étude

    Bac+5

    Formation

    Master 2

    Unité d'accueil

    Candidature avant le

    30/06/2022

    Durée

    3 mois

    Poursuite possible en thèse

    oui

    Contact

    SOKHAN Daria
    +33 1 69 08 56 27

    Résumé/Summary
    Le projet de stage se concentre sur l'analyse des données d'une expérience récente au Jefferson Laboratory (JLab) aux Etats-Unis, dans laquelle un faisceau d'électrons de 11 GeV a été diffusé sur une cible de protons. La mesure est sensible à la structure interne du proton en trois dimensions.
    The internship project will focus on data analysis from a recent experiment at Jefferson Lab, in which an 11 GeV electron beam was scattered from a proton target. The measurement is sensitive to the internal structure of the proton.
    Sujet détaillé/Full description
    La diffusion d'électrons de haute énergie sur un proton est l'une des techniques expérimentales les plus performantes dans l'étude de sa structure. Des expériences à l'accélérateur linéaire SLAC dans les années 1950 et 1960, utilisant un faisceau d'électrons et une cible fixe d'hydrogène, ont montré que le proton avait une extension spatiale et possédait des centres de diffusion ponctuels à l'intérieur, appelés partons. L’identification ultérieure de ces centres de diffusion comme quarks a conduit à la compréhension du proton comme un état lié de quarks, confinés par l'interaction forte via l'échange de gluons. La théorie de la chromodynamique quantique (QCD) décrit ces interactions, mais ses équations ne peuvent pas être résolues analytiquement pour calculer les propriétés du proton. Notre compréhension de la structure du proton repose donc fortement sur son étude expérimentale.

    Bien que de nombreux progrès aient été réalisés au cours des 65 dernières années, de nombreuses questions fondamentales demeurent : quelle est la composition du spin du proton, comment sa masse est-elle générée à partir de quarks presque sans masse, quelle est la nature du confinement des quarks dans les états liés appelés hadrons ? Caractériser les distributions des quarks et des gluons à l'intérieur du proton apporte des éléments de réponse à ces questions et permet ainsi de mieux comprendre la matière qui constitue plus de 99% de la masse visible de l'univers. Ce thème de recherche fait l'objet d'expériences dans un certain nombre d'accélérateurs à travers le monde, dont JLab [1].

    JLab abrite un accélérateur d'électrons de 12 GeV, à partir duquel le faisceau est tiré sur des cibles fixes dans quatre halls expérimentaux. Si le transfert de quantité de mouvement dans l'interaction est suffisamment élevé, l’électron diffuse sur un quark à l'intérieur du proton et peut entraîner la production d'autres particules, comme un photon ou un méson de haute énergie (une paire de quark anti-quark). La reconstruction de ces interactions et la mesure des distributions des particules diffusées et produites peuvent donner accès aux distributions en position et en quantité de mouvement des quarks à l'intérieur du proton. En particulier, certains processus sont sensibles aux distributions de partons généralisées (GPD), qui peuvent être interprétées comme reliant la position spatiale transversale des quarks à leur quantité de mouvement longitudinale [2]. Celles-ci, à leur tour, fournissent des informations sur la composition des distributions de spin et de pression à l'intérieur du proton [3] et peuvent être utilisées pour construire des images tomographiques 3D de la structure du proton [4].

    Le stage se déroulera au Laboratoire de Structure du Nucléon (LSN) de l'Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers (IRFU). Il se concentrera sur la mesure d'un processus de diffusion sensible aux GPD à partir d’une analyse de données expérimentales récentes acquises dans le hall B de JLab, qui abrite le détecteur CLAS12. Plus précisément, il s'agira d'utiliser des programmes informatiques pour reconstruire des particules à partir de leurs traces dans les détecteurs, extraire des événements d'intérêt et analyser les distributions avec des applications de techniques statistiques. Il s'agira également d'exécuter et d'analyser des simulations informatiques de l'expérience. Le projet donnera au candidat une compréhension unique du fonctionnement des expériences modernes de physique nucléaire et hadronique, en lui présentant les étapes principales, depuis les traces dans un détecteur jusqu’à la mesure d'une quantité physique d'intérêt.

    Une connaissance préalable de la relativité restreinte et de la mécanique quantique est requise. Une expérience préalable en programmation est un avantage, notamment en C++ ou Python. Ce stage s'adresse à des étudiants de niveau master ou Grande École d'Ingénieurs. Sa durée peut être adaptée aux exigences académiques du candidat et peut aller de 3 à 6 mois ou plus. Ce projet de stage peut déboucher sur une thèse.

    [1] https://www.jlab.org/research/science
    [2] Garçon, M. “An introduction to the Generalized Parton Distributions”. Eur. Phys. J. A 18, 389–394 (2003).
    [3] Kumeri?ki, K. “Measurability of pressure inside the proton.” Nature 570, E1–E2 (2019).
    [4] Moutarde, H., Sznajder, P. & Wagner, J. “Border and skewness functions from a leading order fit to DVCS data.” Eur. Phys. J. C 78, 890 (2018).
    The scattering of high energy electrons from a proton is one of the most powerful experimental tools in the study of its structure. Experiments at the SLAC linear accelerator in the 1950s and 60s, using a beam of electrons and a fixed hydrogen target, showed that the proton had spatial dimensions and identified point-like scattering centers inside it, called partons. The later recognition of these scattering centers as quarks led to the understanding of the proton as a bound state of quarks, confined by the strong interaction which is mediated by the exchange of gluons. The theory of Quantum Chromodynamics (QCD) describes these interactions, but its equations cannot be solved analytically to calculate the proton’s properties. Our understanding of the proton’s structure is therefore strongly reliant on its experimental study.

    While a lot of progress has been made in the past 65 years, many of the fundamental questions remain: what is the composition of proton spin, how exactly is its mass generated from the almost-massless quarks, what is the nature of quark confinement into bound states, called hadrons? Understanding the distributions of quarks and gluons inside the proton helps to address these questions and thus provide a deeper understanding of the matter which makes up over 99% of the visible mass of the universe. It is the focus of experiments at a number of accelerators around the world, including Jefferson Lab (JLab) in Virginia, USA [1].

    JLab is home to a 12 GeV electron accelerator, from which the beam is fired at fixed targets in four experimental halls. If the transfer of momentum in the interaction is high enough, the scattering takes place from a quark inside the proton and may result in the production of other particles: such as a high energy photon and/or meson (quark anti-quark pairs). Reconstructing these interactions and measuring the distributions of the scattered and produced particles can give access to the spatial and momentum distributions of quarks inside the proton. In particular, certain processes are sensitive to Generalised Parton Distributions (GPDs), which can be interpreted as relating transverse spatial position of quarks to their longitudinal momentum [2]. These, in turn, provide information on the composition of proton spin and pressure distributions [3] inside it and can be used to build tomographic 3D images of proton structure [4].

    The internship project will take place in the Laboratoire de Structure du Nucléon (LSN) at the Institut de Recherche sur le Lois Fondamentales de l'Univers (IRFU). It will focus on analysing data for a measurement of a GPD-sensitive scattering process from a recent experiment in Hall B of JLab, which houses the CLAS12 detector array. Specifically, it will involve using computer programs to reconstruct particles from hits in the detectors, extract events of interest and analyse the distributions with the applications of statistical techniques. It will also involve running and analysing computer simulations of the experiment. The project will give the candidate a unique understanding of the functioning of modern nuclear and hadron physics experiments, introducing them to the main stages, from hits in a detector to the measurement of a physics quantity of interest.

    Prior knowledge of special relativity and quantum mechanics is mandatory. Prior programming experience is an advantage, especially in C++ or Python. This internship is aimed at the master level or at a student from the Grande Ecole d’Ingénieurs. Its duration can be adapted to the academic requirements of the candidate and can last from 3 to 6 months or longer. It may also lead to a PhD thesis.

    [1] https://www.jlab.org/research/science
    [2] Garçon, M. “An introduction to the Generalized Parton Distributions”. Eur. Phys. J. A 18, 389–394 (2003).
    [3] Kumeri?ki, K. “Measurability of pressure inside the proton.” Nature 570, E1–E2 (2019).
    [4] Moutarde, H., Sznajder, P. & Wagner, J. “Border and skewness functions from a leading order fit to DVCS data.” Eur. Phys. J. C 78, 890 (2018).
    Mots clés/Keywords
    physique hadronique, diffusion d'électrons, structure du proton, quarks
    hadron physics, electron scattering, proton structure, quarks
    Compétences/Skills
    Le projet s'agira d'utiliser des programmes informatiques pour reconstruire des particules à partir de leurs traces dans les détecteurs, extraire des événements d'intérêt et analyser les distributions (ROOT) avec des applications de techniques statistiques. Il s'agira également d'exécuter et d'analyser des simulations (GEANT4) informatiques de l'expérience.
    The project will involve using computer programs to reconstruct particles from hits in detectors, extract events of interest and analyse the distributions (ROOT) with the applications of statistical techniques. It will also involve running and analysing computer simulations (GEANT4) of the experiment.
    Logiciels
    C++, Python.

     

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