Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Le projet de stage est d'étudier et de caractériser la fonction de réponse de chips. L’étudiant.e choisi.e devra apprendre à produire des simulations GEANT4 à partir d’un framework existant, reproduisant le montage expérimental utilisé lors des essais faisceaux réalisés au CERN. L’étudiant.e développera et testera par la suite différents modèles de fonction de réponse des chips qu’il/elle comparera aux bases de données.

The internship project is to study and characterize the response function of the chip. To achieve this goal, the chosen student will learn to use a GEANT4 simulation reproducing the experimental setup used during the beam tests made at CERN. The student will then test and implement several models for the chip response function and compare them to data.

Le détecteur LHCb est l'un des quatre principaux détecteurs installés sur le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Conçu pour étudier la production de quarks lourds dans les collisions proton-proton, Tous ses sous-détecteurs passeront par une phase d’upgrade majeure à l’horizon 2030. Parmi ces détecteurs, l’Upstream Tracker (UT), un trajectographe à quatre stations installées en amont de l'aimant de LHCb, est un élément essentiel de la reconstruction, notamment pour identifier les fausses traces reconstruites par les algorithmes dans les collisions à haute multiplicité de particule produite, telles que les collisions d’ions lourds.
 
Initialement constitué de strips, la technologie du futur UT sera modifié pour utiliser des pixels afin de faire face au taux de collision élevé prévu au LHC en 2030. Le choix de la future technologie utilisée n'est pas encore déterminé, et des études basées sur la simulation sont nécessaires pour comparer les différentes options technologiques. Un ingrédient clé est la fonction de réponse du chip, qui peut être caractérisée sur la base des simulations GEANT4 et des bases de données de tests faisceaux effectués au CERN. Cette fonction de réponse est en effet nécessaire pour les études de performance des chips, et donc cruciale pour choisir la future technologie de l'UT.

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

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

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

Le projet de stage est d'étudier les performances des algorithmes de trajectographie. L’étudiant.e choisi.e utilisera un framework C++ existant et développé au sein du groupe de recherche afin de développer et caractériser les performances de différents algorithmes pour les différentes options technologiques envisagées pour le détecteur.

The internship project is to develop and study the tracking performance of the future UT. To achieve this goal, the chosen student will use a C++ framework developed by the lQGP group at CEA, to develop and test new tracking algorithms for the different scenarios envisaged by the UT.

Le détecteur LHCb est l'un des quatre principaux détecteurs installés sur le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Conçu pour étudier la production de quarks lourds dans les collisions proton-proton, Tous ses sous-détecteurs passeront par une phase d’upgrade majeure à l’horizon 2030. Parmi ces détecteurs, l’Upstream Tracker (UT), un trajectographe à quatre stations installées en amont de l'aimant de LHCb, est un élément essentiel de la reconstruction, notamment pour identifier les fausses traces reconstruites par les algorithmes dans les collisions à haute multiplicité de particule produite, telles que les collisions d’ions lourds.
 
Initialement constitué de strips, la technologie du futur UT sera modifié pour utiliser des pixels afin de faire face au taux de collision élevé prévu au LHC en 2030. Le choix de la future technologie utilisée n'est pas encore déterminé, et des études basées sur la simulation sont nécessaires pour comparer les différentes options technologiques. Un ingrédient clé est la performance des algorithmes de trajectographie, particulièrement dans les collisions d’ions lourds où le nombre de particules produites lors de la collision est très important.
Initialement constitué de strips, la technologie du futur UT sera modifier pour utiliser des pixels afin de faire face au taux de collision élevé prévu au LHC en 2030. Le choix de la future technologie utilisée n'est pas encore déterminé, et des études basées sur la simulation sont nécessaires pour comparer les différentes options technologiques. Un ingrédient clé est la performance des algorithmes de trajectographie, particulièrement dans les collisions d’ions lourds où le nombre de particules produites lors de la collision est très important.

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

Currently using silicon strip detectors, the UT will have to be rebuilt using silicon pixel chips to cope with the high collision rate foreseen at the LHC in 2030. However, The choice of pixel technology is not settled, and studies based on simulation are required to compare the different options. To answer that question, the development and study of the tracking performance is a key ingredient, especially in heavy-ion collisions where the number of particles produced is extreme.

La méthode CRAB vise à calibrer les détecteurs cryogéniques utilisés dans les expériences de recherche de matière noire et de diffusion cohérente de neutrinos. Ces expériences ont en commun le fait que le signal recherché est un recul nucléaire de très basse énergie (quelque 100 eV) nécessitant des détecteurs avec une résolution de quelques eV et un seuil de O(10eV), les bolomètres. Or jusqu’à présent il était très difficile de générer des reculs nucléaires d’énergie connue pour caractériser la réponse de ces détecteurs. L’idée principale de la méthode CRAB, détaillée ici [1,2], est d’induire une réaction de capture avec des neutrons thermiques (énergie de 25 meV) sur les noyaux constituant le détecteur cryogénique. Le noyau composé résultant a une énergie d’excitation bien connue, l’énergie de séparation d’un neutron comprise entre 5 et 8 MeV selon les isotopes. Dans le cas où il se désexcite en émettant qu’un seul photon gamma, le noyau va reculer avec une énergie qui est aussi parfaitement connue car donnée par la cinématique à deux corps. Un pic de calibration, dans la gamme recherchée de quelques 100 eV, apparaît alors dans le spectre en énergie du détecteur cryogénique. Une première mesure réalisée, en 2022, avec un détecteur cryogénique en CaWO4 de l’expérience NUCLEUS (expérience de diffusion cohérente de neutrinos) a permis de valider la méthode [3].
La deuxième phase de ce projet consiste à réaliser une mesure de précision auprès du réacteur Triga-Mark-II à Vienne (TU-Wien, Autriche) en 2024. Cette mesure permettra notamment de tester la linéarité des détecteurs utilisés en ayant accès à plusieurs pics de calibration et d’ouvrir une fenêtre de sensibilité à des effets fins couplant de la physique nucléaire (temps de désexcitation du noyau) et de la physique du solide (temps de recul du noyau dans la matière, création de défauts cristallins produits lors du recul d’un noyau) [4].
Le réacteur Triga-Mark-II fournira un faisceau pur de neutrons thermiques qui sera envoyé sur un cristal de CaWO4 refroidi à 15 mK placé dans un cryostat. Pour maximiser le rapport signal sur bruit des détecteurs gammas, constitués de cristaux de BaF2 et BGO, seront placés autour du cryostat pour pouvoir réaliser une mesure en coïncidence entre le signal du bolomètre (détection du recul nucléaire) et le signal dans les détecteurs gammas (détection du gamma de haute énergie).
Dans ce contexte, le (la) stagiaire participera à la caractérisation de l’ensemble des détecteurs gammas au CEA-Saclay et développera le programme d’analyse associé avec le logiciel ROOT. Ces études expérimentales pourront être appuyées de simulation Geant4. Selon le déroulement des tests, le (la) candidat(e) pourrait être amené à participer à l’installation des détecteurs à l’« Atominstitut » de Vienne (Autriche), pour pouvoir réaliser une première mesure « CRAB haute précision » à l’automne 2024.
L’étudiant(e) pourra être force de propositions, tester ses propres idées et il (elle) aura un aperçu complet d’un travail de développement expérimental. Il(elle) aura aussi l’occasion de présenter son travail à la collaboration internationale CRAB.

Un sujet de thèse est proposé dans la continuité de ce stage.

Références bibliographiques:
[1] L. Thulliez, D. Lhuillier et al. Calibration of nuclear recoils at the 100 eV scale using neutron capture, JINST 16 (2021) 07, P07032 (https://arxiv.org/abs/2011.13803)
[2]https://irfu.cea.fr/dphp/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?id_ast=4970
[3] H. Abele et al., Observation of a nuclear recoil peak at the 100 eV scale induced by neutron capture, Phys. Rev. Lett. 130, 211802 (2023) (https://arxiv.org/abs/2211.03631)
[4] G. Soum-Sidikov et al., Study of collision and ?-cascade times following neutron-capture processes in cryogenic detectors, Phys. Rev. D 108, 072009 (2023) (https://arxiv.org/abs/2305.10139)

Environnement de travail:
Le(La) stagiaire travaillera sur le site du CEA-Saclay, au sein du département de physique nucléaire de l’Irfu au sein du laboratoire des études et des applications des réactions nucléaires (CEA-Saclay/DRF/Irfu/DPhN/LEARN). Des missions seront à prévoir à l’Atominstitut de Vienne (Autriche).

Contacts:
loic.thulliez@cea.fr
david.lhuillier@cea.fr

The CRAB method is designed to calibrate cryogenic detectors used in dark matter and coherent neutrino scattering experiments. What these experiments have in common is that the signal they are looking for is a very low-energy nuclear recoil (around 100 eV), requiring detectors with a resolution of a few eV and a threshold of O(10eV), known as bolometers. Until now, however, it has been very difficult to generate nuclear recoils of known energy to characterize the response of these detectors. The main idea behind the CRAB method, detailed here [1,2], is to induce a capture reaction with thermal neutrons (25 meV energy) on the nuclei making up the cryogenic detector. The resulting compound nucleus has a well-known excitation energy, the neutron separation energy of between 5 and 8 MeV, depending on the isotope. If it de-excites, emitting a single gamma photon, the nucleus will retreat with an energy that is also perfectly known, as given by two-body kinematics. A calibration peak, in the desired range of some 100 eV, then appears in the energy spectrum of the cryogenic detector. A first measurement carried out in 2022 with a cryogenic CaWO4 detector of the NUCLEUS experiment (coherent neutrino scattering experiment) validated the method [3].
The second phase of this project involves a precision measurement at the Triga-Mark-II reactor in Vienna (TU-Wien, Austria) in 2024. In particular, this measurement will test the linearity of the detectors used, with access to several calibration peaks, and open a window of sensitivity to fine effects coupling nuclear physics (nucleus de-excitation time) and solid-state physics (nucleus recoil time in matter, creation of crystalline defects produced when a nucleus recoils) [4].
The Triga-Mark-II reactor will supply a pure beam of thermal neutrons, which will be sent to a CaWO4 crystal cooled to 15 mK and placed in a cryostat. To maximize the signal-to-noise ratio, gamma detectors made of BaF2 and BGO crystals will be placed around the cryostat to enable coincident measurement between the bolometer signal (nuclear recoil detection) and the signal in the gamma detectors (high-energy gamma detection).
In this context, the trainee will participate in the characterization of all gamma detectors at CEA-Saclay, and develop the associated analysis program with the ROOT software. These experimental studies may be supported by Geant4 simulation. Depending on the progress of the tests, the candidate may be asked to take part in the installation of the detectors at the Atominstitut in Vienna (Austria), so as to be able to carry out a first "high-precision CRAB" measurement in autumn 2024.
The student will be able to make proposals, test his or her own ideas and gain a comprehensive insight into experimental development work. They will also have the opportunity to present their work to the international CRAB collaboration.

A thesis subject is proposed as a continuation of this internship.

Bibliography:
[1] L. Thulliez, D. Lhuillier et al. Calibration of nuclear recoils at the 100 eV scale using neutron capture, JINST 16 (2021) 07, P07032 (https://arxiv.org/abs/2011.13803)
[2]https://irfu.cea.fr/dphp/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?id_ast=4970
[3] H. Abele et al., Observation of a nuclear recoil peak at the 100 eV scale induced by neutron capture, Phys. Rev. Lett. 130, 211802 (2023) (https://arxiv.org/abs/2211.03631)
[4] G. Soum-Sidikov et al., Study of collision and ?-cascade times following neutron-capture processes in cryogenic detectors, Phys. Rev. D 108, 072009 (2023) accepted (https://arxiv.org/abs/2305.10139)



Working environment:
The intern will work at the CEA-Saclay site, in the Irfu Nuclear Physics Department within the Laboratory for Nuclear Reaction Studies and Applications (CEA-Saclay/DRF/Irfu/DPhN/LEARN). Missions to the Atominstitut in Vienna (Austria) are also planned.


Contacts:
loic.thulliez@cea.fr
david.lhuillier@cea.fr

Connaissances de base en physique nucléaire, physique des particules, physique du solide et en instrumentation

Basic knowledge of nuclear physics, particle physics, solid state physics and instrumentation

C++, Python, Knowledge of GEANT4 and ROOT are a plus