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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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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,
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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,
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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
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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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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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