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Etude de la structuration de l'Univers à toutes les échelles avec des quasars dans DESI
Study of quasar clustering at all scales in DESI

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

04/04/2022

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

YECHE Christophe
+33 1 69 08 70 50

Résumé/Summary
Le relevé spectroscopique, DESI, dont les observations ont débuté au printemps 2021, va réaliser une carte à 3D de l'Univers en utilisant comme traceur de la matière des quasars. La structuration de l'Univers à toutes les échelles permet d'étudier l'inflation, l'énergie noire et la gravitation.
The spectroscopic survey, DESI, whose observations began in spring 2021, will create a 3D map of the Universe using quasars as tracers of the matter. The quasar clustering will allow us to study inflation, dark energy and gravity.
Sujet détaillé/Full description
Les structures observables dans l’Univers à grande échelle (LSS pour Large-Scale Structures) proviennent de la croissance, sous l’effet de la gravitation, de petites fluctuations primordiales de densité. Selon le paradigme le plus communément admis, ces fluctuations de densité auraient été engendrées lors d’une phase initiale d’inflation cosmique. La mesure des propriétés statistiques des LSS à très grande échelle (~ qq Gpc) permet d’étudier la physique en œuvre lors de l’inflation, à des échelles intermédiaires (~100 Mpc) l’énergie noire avec les Oscillations Baryoniques Acoustiques (BAO) et enfin à des échelles plus petites (~10 Mpc), la gravitation avec les distorsions des structures dans l’espace des redshifts (RSD).

Notre stratégie pour étudier les LLS à toutes les échelles, consiste à utiliser un relevé spectroscopique, DESI, dont l’instrument a été mis en service à la fin de l'année 2019.
DESI observera plusieurs dizaines de millions de galaxies et de quasars. Les observations ont lieu au télescope Mayall de 4 m en Arizona. Après un relevé de validation en 2020 et 2021, depuis le printemps 2021, le projet a débuté une période d’observation sans interruption qui durera 5 ans, ce qui permettra de couvrir un quart de la voute céleste.

Pour ce projet de thèse (stage), les LSS sont mesurées avec un traceur unique de la matière : les quasars, objets très lointains et très lumineux. Cet unique traceur nous permet de couvrir une large plage en redshift allant de 0.9 à 3.5 et d’étudier la structuration de l’Univers à toutes les échelles, allant de quelques dizaines de Mpc au Gpc.

Au cours de son stage de M2, l’étudiant participera à l’analyse de la première année d’observation (printemps 2021 - printemps 2022). Il étudiera en particulier toutes les sources possibles de biais dans la sélection des quasars qui pourraient contaminer un signal cosmologique. Il modélisera aussi la mesure du redshift des quasars. Cette étude des effets systématiques potentiels est fondamentale pour la mesure des LLS des quasars à toutes les échelles. Une fois ce travail réalisé, l’étudiant pourra se consacrer à une mesure globale avec des quasars, des paramètres cosmologiques pour la première année d’observation de DESI.

Ce stage peut être poursuivi par un doctorat qui portera sur l'étude du LSS pour les quasars DESI pour les 3 premières années d'observation (printemps 2021-printemps 2024).

DESI est une collaboration internationale regroupant plusieurs centaines de scientifiques. Les réunions de collaboration ont lieu deux ou trois fois par an alternativement en Europe et aux USA, et donneront au doctorant l’occasion de rencontrer les autres membres de DESI et de présenter régulièrement l’avancement de ses travaux. Le doctorant sera amené à travailler plus particulièrement au cours de sa thèse avec le laboratoire de LBNL (Berkeley, USA) et l’Université de Berkeley (UCB). Il assurera aussi des observations auprès du télescope Mayall à Kitt Peak dans l’Arizona.

Le groupe de cosmologie du CEA-Saclay Irfu/DPhP étudie les amas de galaxies, l’énergie noire et la matière noire ainsi que les effets de la gravitation à des échelles cosmologiques. Il a aussi une activité sur l’étude de l’univers primordial à travers la masse des neutrinos et l’inflation. Le groupe comprend une dizaine de chercheurs permanents et autant de doctorants et post-doctorants.
The Large Scale Structures (LSS) of the Universe come from the growth, under the effect of gravitation, of small primordial fluctuations of density. According to the most commonly accepted paradigm, these density fluctuations would have been generated during an initial phase of cosmic inflation. The measurement of the statistical properties of LSS allow us to study the inflation at very large scales (~Gpc), the Dark Energy at smaller scales (~100 Mpc) with Baryonic Acoustic Oscillations (BAO) and the gravity at even smaller scales (~tens of Mpc) with Redshift Space Distortions (RSD).

Our strategy for studying the LSS is to use a spectroscopic survey, DESI, whose observations begin in the fall of 2019. DESI is a large spectroscopic survey that will observe tens of millions of galaxies and quasars. The observations take place at the 4-meter Mayall telescope in Arizona. After the survey validation, since spring 2021, the project has started an uninterrupted observation period that will last 5 years and that will cover a quarter of the sky.

For this thesis (internship) project, LSS are measured with a single tracer of the matter: the quasars, very distant and very luminous objects. This single tracer allows us to cover a wide redshift range from 0.9 to 3.5 and to the Universe clustering at all scales, from a few tens of Mpc to Gpc.

During his/her M2 internship, the student will participate in the analysis of the first observation year (from Spring 2021 to Spring 2022). In particular, he/she will study all possible sources of bias in the selection that could contaminate a cosmological signal. He/she will model the measurement of the quasar redshifts. This study of potential systematic effects is fundamental for the measurement of quasar clustering at all scales. Once this work has been completed, the student will be able to devote to a global measurement of the cosmological parameters with quasars for the first year of DESI observation.

This internship can be pursued by a PhD that will focus on the study of LSS for DESI quasars for the first 3 years of observations (spring 2021-spring 2024).

DESI is an international collaboration bringing together several hundred scientists. Collaboration meetings take place two or three times a year alternately in Europe and in the USA. These will give the PhD student the opportunity to meet the other members of DESI and to regularly present the progress of his/her work. The doctoral student will work especially during his/her thesis with the laboratory of LBNL (Berkeley, USA) and the University of Berkeley (UCB). He/she will also observe at the Mayall telescope in Kitt Peak, Arizona.

The CEA-Saclay Irfu/DPhP cosmology group studies galaxy clusters, dark energy and dark matter as well as the effects of gravitation at cosmological scales. It also has an activity on the study of the primordial universe through the mass of neutrinos and inflation. The group includes about ten permanent researchers and as many PhD and post-doctoral students.



Mots clés/Keywords
Cosmologie, inflation, énergie noire, gravitation
cosmology, inflation, Dark Energy, Gravity, Large Scale Structures
Compétences/Skills
Fonction de corrélation, spectre de puissance, Réseau de neurones, Random Forest
Correlation function, power spectrum, Neural Network, Random Forest
Logiciels
python
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Modélisation des bruits de fond issu de la radioactivité ambiante pour la mesure de la diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux avec l’expérience NUCLEUS.
Modeling of the ambient gamma-ray background for the first measurement of coherent elastic neutrino-nucleus scattering at reactors with the NUCLEUS experiment

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

31/12/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Vivier Matthieu
+33 1 69 08 66 26

Résumé/Summary
La diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux est un processus d’interaction prometteur qui pourrait ouvrir la voie vers la miniaturisation des détecteurs de neutrinos, et aller sonder de la nouvelle physique au-delà du modèle standard de la physique des particules dans un domaine d’énergie encore inexploré, en-dessous du keV. Ce stage se propose de mener une étude poussée des bruits de fond issus de la radioactivité ambiante pour optimiser le potentiel de l’expérience NUCLEUS, dont le déploiement se fera sur la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes en 2022.
Coherent elastic neutrino nucleus scattering is a promising interaction process which could potentially allow to scale down neutrino detectors, and probe new physics beyond standard model of particle physics. This internship consists in carrying a in-depth study of backgrounds coming from environmental gammas to optimise the physics potential of the NUCLEUS experiment, dedicated to the detection of neutrinos through this process at the Chooz nuclear power plant, in France.
Sujet détaillé/Full description
La diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN) est un processus d’interaction des neutrinos prédit il y a plus de 40 ans dans le cadre de l’élaboration du modèle standard de la physique des particules, et dont la première détection a été réalisée en 2017 par la collaboration américaine « COHERENT ». Ce processus, pouvant présenter des sections efficaces 10 à 1000 fois plus grandes que les canaux d’interaction classiques utilisés pour étudier les propriétés fondamentales du neutrino, offre des perspectives attrayantes pour la miniaturisation des détecteurs et pour la recherche de nouvelle physique (recherche de nouveaux couplages des neutrinos à la matière, recherche de neutrinos stériles, études des propriétés électromagnétiques du neutrino, etc.). L’exploitation de ce nouveau canal de détection n’en est cependant qu’à ses premiers balbutiements, notamment parce que les reculs nucléaires induits sont de très faible énergie (? keV) et nécessitent donc des détecteurs ultra performants avec à la fois un très bas seuil en énergie (? 100 eV) et un excellent rejet des bruits de fond. Notre équipe à l’Irfu s’est orientée vers l'utilisation d’une technologie prometteuse qui à terme permettra d’atteindre simultanément ces deux prérequis, celle des détecteurs cryogéniques (ou bolométriques). Elle a ainsi récemment formé et rejoint la collaboration NUCLEUS, réunissant des partenaires Allemands, Autrichiens et Italiens pour concevoir un système de détecteurs cryogéniques capable de mesurer précisément la DCNN sur la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes.


Ce stage a pour objectif de modéliser la composante des bruits de fond résiduels provenant de la radioactivité ambiante dans la pièce où s’installera l’expérience. Cette modélisation s’appuiera sur des mesures réalisées sur site à l’aide d’un spectromètre Germanium haute purité, et sur un outil de simulation Monte Carlo développé par notre équipe, basé sur les logiciels Geant 4 et ROOT. Les processus électromagnétiques d’interaction des gammas donnent très rarement lieu à des dépôts d’énergie dans la région d’intérêt du signal DCNN, entre 0 et 1 keV. Une difficulté majeure que rencontrent les études de simulation actuelles est donc la faible statistique obtenue, même pour un nombre de tirage Monte Carlo important de l’ordre de ~ 109. Pour pallier à cette difficulté, le stagiaire s’impliquera donc dans le développement d’une méthode de réduction de variance et à son implémentation dans l’outil de simulation existant. Ce travail se fera en partenariat avec nos collègues du Département de Physique Nucléaire (DPhN) qui ont développé un algorithme de biaisage similaire pour le transport des neutrons en physique des réacteurs. Cet algorithme sera vérifié et validé pour le transport des gammas en comparant les résultats obtenus sur des simulations analogues classiques, et sur des données acquises à l’aide d’un prototype de détecteur cryogénique développé par nos collaborateurs de l’université technique de Munich.

Dans le cadre de cette étude, l’étudiant(e) sera amené(e) à interagir régulièrement avec les membres de la collaboration NUCLEUS. Il(elle) pourra éventuellement participer à des mesures complémentaires de bruit de fond gamma sur site, selon les conditions et les besoins. Nos équipes sont aussi en charge de la conception et de la construction du véto muon de l’expérience. L’étudiant(e) pourra ainsi éventuellement contribuer au montage de ce dispositif, ainsi qu’à ses premiers tests de qualification qui commenceront avant l’été 2021.
Ce travail de stage sera pour lui/elle l’occasion d'approfondir ses connaissances dans différents domaines comme l’interaction rayonnement-matière, l’instrumentation, la conception et la simulation Monte Carlo de détecteurs en physique des particules et l’analyse de données. A l’issu de ce stage, il/elle aura d’autre part acquis des compétences avancées en programmation orientée-objet et en techniques de simulation Monte Carlo.

Une thèse est proposée dans la continuité de ce stage sur l’expérience NUCLEUS.
Coherent elastic neutrino nucleus scattering (CEvNS) is a neutrino interaction process predicted 40 years ago by the standard model of particle physics, and first detected in 2017 by the « COHERENT » collaboration. This process can exhibit interaction cross-sections a factor 10 to 1000 times larger than cross-sections of other neutrino interaction channels used to study the fundamental properties of the neutrino. It would thus offer promising perspectives for miniaturizing the size of current neutrino detectors, and it is also sensitive to new physics beyond the standard model (new interactions, study of the neutrino electro-magnetic properties, etc.). However, this process remains at the current time largely unexploited, mostly because the induced nuclear recoils are of extremely low energies (? keV) and hence call for low energy threshold detectors. Our research team therefore focuses on the use of cryogenic detectors and has recently formed an international collaboration with German, Austrian and Italian partners called NUCLEUS for designing and for deploying a neutrino detection experiment using CEvNS at the Chooz nuclear power plant, in France.

The goal of this internship is to conduct a in-depth study of the backgrounds expected from environmental gamma in the NUCLEUS experiment. This study will be conducted using a Geant 4-based Monte Carlo simulation tool, and will use on-site background measurements performed at the Chooz nuclear power plant as well as data collected during the prototyping phase of the cryogenic detectors.
Mots clés/Keywords
Physique des particules, physique des neutrinos, physique nucléaire
Particle physics, nuclear physics, neutrino physics
Compétences/Skills
Programmation C++, simulations, analyse de données
C++ programming, simulations, data analysis
Logiciels
C++, Geant 4, ROOT
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Prévision de la sensibilité de DESI à la matière noire et aux propriétés des neutrinos avec la forêt Lyman-alpha
Forecasting DESI sensitivity to dark matter and neutrino properties with the Lyman-alpha forest

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/05/2022

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

ARMENGAUD Eric
+33 1 69 08 19 50

Résumé/Summary
La forêt Lyman-alpha est un outil puissant pour mesurer la distribution de la matière dans l'Univers primitif. Au cours de ce stage, l'étudiant utilisera cette sonde pour étudier la sensibilité du relevé du ciel DESI aux paramètres cosmologiques, et en particulier à la masse des neutrinos.
The Lyman-alpha forest is a powerful tool to measure the distribution of matter in the early Universe. During this internship, the student will use this probe to study the sensitivity of the ongoing DESI sky survey to cosmological parameters, and in particular to the neutrino mass.
Sujet détaillé/Full description
La distribution de la matière aux échelles cosmologiques peut être prédite dans le cadre du modèle cosmologique standard. Elle dépend entre autres de la masse absolue des neutrinos (encore inconnue) et des propriétés de la matière noire, dont la nature est un grand mystère scientifique. L'équipe de cosmologie de l'IRFU-DPhP est fortement impliquée dans le relevé du ciel DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument). DESI est le premier des projets de nouvelle génération dont le but est de cartographier les structures à grande échelle dans l'Univers. Le télescope DESI, situé en Arizona, a commencé ses observations en 2021 et fournira dans les années à venir une carte 3D sans précédent de l'Univers.
Au cours du stage proposé, l'étudiant se concentrera sur un type spécifique d'observation réalisée avec DESI : la forêt dite Lyman-alpha, qui mesure l'absorption par le milieu intergalactique de la lumière provenant de quasars distants situés à des décalages vers le rouge z ~ 2 - 4. Les observations Lyman-alpha fournissent la seule mesure de la distribution de la matière à la fois aux "petites" échelles cosmologiques (~megaparsec) et dans l'Univers primitif (il y a 10 à 12 milliards d'années, juste 2 milliards d'années après le Big Bang). Nous proposons à l'étudiant d’utiliser des simulations des observations de Lyman-alpha par DESI, ainsi que des modèles des structures cosmologiques, afin de prévoir la sensibilité de DESI à plusieurs paramètres cosmologiques, liés à la nature de la matière noire et des neutrinos. L'accent sera mis sur la sensibilité à la somme des masses des neutrinos : actuellement, le Lyman-alpha, ainsi que les mesures du fond diffus cosmologique, limitent déjà ce paramètre à moins de ~110 milli-eV, alors que la physique des particules nous dit qu'il devrait être de 60 milli-eV ou plus. Peser les particules de matière les plus légères que nous connaissons dans l'Univers avec les plus grands relevés cosmologiques serait un grand succès, tant en cosmologie qu'en physique des particules. Cette formation permettra à l'étudiant de comprendre la physique de la forêt de Lyman-alpha, et de se familiariser avec les outils et les concepts les plus courants utilisés en cosmologie. Si le temps le permet, l'étudiant pourra également s'impliquer dans l'analyse de données DESI réelles. Ce stage pourra déboucher sur une thèse.
The matter distribution on cosmological scales can be predicted within the standard cosmological model. It depends among others on the (yet unknown) absolute neutrino mass and on the properties of dark matter, whose nature is a great scientific mystery. The IRFU-DPhP cosmology team is strongly involved in the DESI sky survey (Dark Energy Spectroscopic Instrument). DESI is the first among next-generation projects whose goal is to map large scale structures in the Universe. The DESI telescope, located in Arizona, started its observations in 2021 and will provide in the coming years an unprecedented 3D map of the Universe.
During the proposed internship, the student will focus on one specific kind of observation carried out with DESI: the so-called Lyman-alpha forest, which measures the absorption by the intergalactic medium of light from distant quasars located at redshifts z ~ 2 - 4. Lyman-alpha observations provide the only measurement of the matter distribution both at "small" (~megaparsec) cosmological scales, and in the early Universe (10 - 12 billion years ago, just 2 billion years after the Big Bang). We propose that the student uses simulations of Lyman-alpha observations by DESI, together with models of the cosmological structures, in order to forecast the sensitivity of DESI to several cosmological parameters, related to the nature of dark matter and neutrinos. An emphasis will be put on the sensitivity to the sum of neutrino masses: currently the Lyman-alpha, together with Cosmic Microwave Background measurements, already bound this parameter to be less than ~110 milli-eV, while particle physics tells us it should be 60 milli-eV or more. Weighing the lightest matter particles we know in the Universe with the largest cosmological surveys would be an incredible success in both cosmological and particle physics endeavours. This training will allow the student to understand the physics behind the Lyman-alpha forest, and get familiar with the most common tools and concepts used in cosmology. If time allows, the student may also get involved into the analysis of real DESI data. This internship may lead to a thesis.
Mots clés/Keywords
Cosmologie, Physique des particules
Cosmology, Particle physics
Compétences/Skills
Analyse de données Simulations numériques Inférence statistique
Data analysis Numerical simulations Statistical inference
Logiciels
python

 

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