Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Le télescope spatial James Webb a révélé la présence de galaxies spirales très tôt dans l’histoire de l’univers (jusqu’à des décalages spectraux supérieurs à z=5). L’apparition des disques si tôt est surprenante car il s’agit de structures fragiles et semble renforcer l’idée d’un apport de moment angulaire par l’accrétion de matière intergalactique. Ce phénomène d’accrétion à travers des filaments refroidis pourrait expliquer plusieurs résultats inattendus du James Webb. Il pourrait aussi être à l’origine de la formation d’étoile universelle, dite séculaire, observée dans les galaxies sous la forme d’une corrélation entre taux de formation d’étoiles et masse stellaire (séquence principale de la formation d’étoiles, MS). Ils apporteraient les réservoirs et participeraient à la régulation de la formation d’étoiles. Il s’agit d’un important changement de paradigme dans notre compréhension de l’origine des formes des galaxies et de leur histoire de formation d’étoiles. Au cours de cette thèse, nous disposerons de données du James Webb, d’Euclid et de modèles numériques permettant de tester cette hypothèse. Notons que sans ce type d’explication pour la grande efficacité de formation des galaxies observée par le James Webb, il faudrait invoquer des changements bien plus drastiques qui pourraient ouvrir un nouveau champ. Cette thèse aidera à le déterminer.

Le cœur du projet de thèse proposé sera la recherche en temps réel démissions transitoires de haute énergie liées à la détection dondes gravitationnelles et dautres transitoires astrophysiques multi-messagers comme les neutrinos de haute énergie, les sursauts de rayons gamma, les sursauts radio rapides, les explosions stellaires/nova, etc. Les observations combinées de plusieurs instruments et messagers cosmiques prouveront sans équivoque lexistence dun accélérateur de particules de haute énergie lié à ces phénomènes et permettront dobtenir de nouvelles informations sur les explosions les plus violentes de lunivers.
En rejoignant les collaborations H.E.S.S., CTA et SVOM, le candidat au doctorat sera en mesure de diriger les passionnantes campagnes MWL et multi-messagers collectées pendant le cycle physique O4 des interféromètres GW, les premiers événements neutrinos de haute énergie détectés par KM3NeT et les premiers GRBs détectés par le satellite SVOM. Le candidat au doctorat aura également lopportunité de participer au développement de la plateforme Astro-COLIBRI permettant de suivre les phénomènes transitoires en temps réel via des applications sur smartphone.

L’astronomie des très hautes énergies est une partie de l’astronomie relativement récente (30 ans) qui s’intéresse au ciel au-dessus de 50 GeV. Après les succès du réseau H.E.S.S. dans les années 2000, un observatoire international, le Cherenkov Telescope Array (CTA) devrait entrer en fonctionnement à l’horizon 2025. Cet observatoire comportera une cinquantaine de télescopes au total, répartis sur deux sites. L’IRFU est impliqué dans la construction de la NectarCAM, une caméra destinée à équiper les télescopes « moyens » (MST) de CTA. Le premier exemplaire de cette caméra (sur les neuf prévues) est en cours d’intégration à l’IRFU et sera installé sur le site Nord de CTA en 2025. Une fois la caméra installée, les premières observations du ciel pourront avoir lieu, permettant de valider entièrement le fonctionnement de la caméra. La thèse vise à finaliser les tests en chambre noire à l’IRFU, préparer l’installation et valider le fonctionnement de la caméra sur le site de CTA. Elle vise également à effectuer les premières observations astronomiques avec ce nouvel instrument. Il est également prévu de participer à l’analyse des données de la collaboration H.E.S.S., sur des sujets d’astroparticules (recherche de trous noirs primordiaux, contraintes sur l’Invariance de Lorentz à l’aide d’AGN lointains).

Il existe deux types dinstruments pour observer les ondes gravitationnelles (GW) à basse fréquence : linterféromètre spatial dans la bande des milliHertz (mHz) LISA et le Pulsar Timing Array (PTA) dans la bande des nanoHertz (nHz). Ils sont complémentaires soit en observant deux parties des mêmes sources comme pour les fonds stochastiques, soit deux parties de la même population de sources comme pour les binaires de trous noirs massifs.
LISA est un observatoire spatial GWs dont le lancement est prévu en 2035. Il se compose de trois satellites en chute libre sur une orbite héliocentrique formant un triangle équilatéral. Les satellites échangent de la lumière laser formant de multiples interféromètres permettant dobserver une pléthore de sources astrophysiques et cosmologiques de GW. Ces sources incluent des binaires de naines blanches galactiques, des inspirals à rapport de masse extrême, des binaires de trous noirs massifs et des fonds stochastiques.
PTA utilise le timing des pulsars millisecondes pour observer les GW. Les pulsars millisecondes émettent environ des centaines dimpulsions radio par seconde avec une très grande régularité. Les GW passant entre le pulsar et la Terre modifient le temps darrivée des impulsions. La synchronisation dun réseau de pulsars permet de réaliser un détecteur GW à léchelle galactique. De multiples radiotélescopes contribuent au PTA, notamment le Radiotélescope de Nançay. En juin 2023, 4 collaborations PTA ont annoncé les résultats de 20 ans de chronométrage des pulsars : une preuve solide dun signal GWs. Le signal doit encore être caractérisé et son origine établie. Il pourrait avoir été émis par un ensemble de trous noirs supermassifs ou par des processus survenus dans lUnivers primordial. Si les deux systèmes dobservation sont différents, les méthodes danalyse des données sont similaires. Un grand espace de paramètres doit être échantillonné pour extraire les sources qui se chevauchent et les démêler des bruits non stationnaires.
Les GW sont une nouvelle façon den apprendre davantage sur la physique fondamentale. Par exemple, nous pouvons tester la relativité générale avec la fusion des trous noirs supermassifs binaires et inspirals à rapport de masse extrême et tester la physique des particules au-delà du modèle standard, grâce à la détection du fond stochastique (SGWB) des transitions de phase dans lUnivers primitif. Le candidat travaillera au CEA-IRFU (Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de lUnivers) au sein dune équipe transdisciplinaire menant des recherches sur les GW. Cette activité va de limplication instrumentale dans la mission LISA aux conséquences astrophysiques ou cosmologiques de lexploitation des signaux, en passant par le développement dalgorithmes, de simulations et danalyses de données. LIrfu est également impliqué dans PTA-France et International PTA. Développer des méthodes de détection des sources dondes gravitationnelles et détecter les conséquences physiques associées est au coeur du sujet de thèse proposé. Le candidat aura loccasion de sintéresser à tous les aspects de lactivité de léquipe daccueil et dinteragir avec chacun de ses membres. Les principaux objectifs des travaux proposés sont de développer des méthodes danalyse de données pour LISA, en tirant parti des développements de PTA et LISA, et détudier la synergie entre les observations LISA et PTA pour la physique fondamentale, notamment avec les SGWB et les Trous Noirs Massifs (MBH). . Les méthodes développées peuvent également être adaptées et appliquées à des données PTA réelles. Le candidat sera membre des collaborations LISA, PTA-France, EPTA et IPTA. Il/elle interagira avec les membres du Groupement de Recherche Ondes Gravitationnelles et collaborera avec des physiciens du laboratoire Astroparticules et Cosmologie (APC). Il présentera ses résultats au sein des consortiums LISA et PTA et lors de conférences internationales.

Les supernovae à effondrement de cœur jouent un ro^le pivot dans l’e´volution stellaire des e´toiles massives, la naissance des e´toiles a` neutrons et des trous noir, et l’enrichissement chimique des galaxies. Comment explosent-elles ’ Le me´canisme d’explosion peut e^tre e´claire´ par l’analyse des signaux multi-messager: la production de neutrinos et d’ondes gravitationnelles est module´e par les instabilite´s hydrodynamiques pendant la seconde qui suit la formation d’une proto-e´toile a` neutrons.
Cette thèse propose d’utiliser la comple´mentarite´ des signaux multi-messager d’une supernova à effondrement de cœur, a` la lumie`re des simulations nume´riques de la dynamique de l’effondrement et de lanalyse perturbative, pour en extraire les informations physiques sur le me´canisme d’explosion.
Le projet abordera plus spe´cifiquement les proprie´te´s multi-messager de linstabilite´ du choc stationnaire (SASI) et de linstabilité de corotation (low T/W) pour un proge´niteur en rotation. Pour chacune de ces instabilite´s, les informations de composition des neutrinos et de polarisation des ondes gravitationnelles seront exploite´es, ainsi que la corre´lation entre ces signaux.

En un peu plus dun an dexploitation scientifique, le JWST a déjà révolutionné notre compréhension des exoplanètes et de leurs atmosphères. La mission spatiale ARIEL, qui sera lancée en 2029, contribuera en temps voulu à cette révolution. Lune des principales découvertes rendues possibles par la qualité exceptionnelle des données du JWST est que les atmosphères des exoplanètes sont en déséquilibre chimique. Un traitement complet du déséquilibre est à la fois complexe et coûteux sur le plan computationnel. Dans un premier temps, notre projet étudiera numériquement létendue du déséquilibre chimique dans les atmosphères des cibles du JWST. Nous utiliserons à cette fin un modèle photochimique développé chez nous. Dans un second temps, notre projet explorera les techniques de Machine Learning (ML) pour émuler les sorties du modèle photochimique complet à un coût de calcul réduit. Les performances de lémulateur basé sur le ML seront analysées dans le but ultime de lintégrer dans les modèles de inversion atmosphérique. Le projet proposé combine la physique et la chimie sophistiquées des atmosphères dexoplanètes avec les développements de nouvelles techniques numériques.

Les bulbes actuels des galaxies spirales et des galaxies elliptiques contiennent de très vieilles étoiles et on pense quils se sont formés au début de lUnivers. La manière dont cela sest produit en pratique nest pas bien comprise: les processus physiques les plus importants en jeu ne sont pas encore clairs. Au cours de la dernière décennie, les preuves de lexistence de galaxies compactes à éclatement détoiles se sont multipliées et pourraient être des indices de bulbes pris au moment de leur formation. Plus récemment, grâce aux nouvelles découvertes de notre groupe basées sur le JWST, un certain nombre dautres résultats déroutants se sont accumulés, actuellement difficiles à expliquer : A) ces galaxies à explosion détoiles sont toujours intégrées dans des systèmes plus vastes, semblables à des disques, qui sont moins actifs mais contiennent la majeure partie de la masse stellaire existante, comme sil ny avait pas eu de formation de bulbes nus ; B) dans certains cas, les disques extérieurs ont en fait cessé de former des étoiles, représentant ainsi des cas dextinction progressant de lextérieur vers lintérieur, inversant le schéma standard plus familier (tel quobservé dans les spirales locales et la Voie lactée, où le centre est éteint et les périphéries forment des étoiles) ; C) les disques sont souvent fortement déséquilibrés dans leur distribution de masse stellaire, une caractéristique qui devient de plus en plus dominante lorsque lon regarde les époques antérieures. Cette phénoménologie est actuellement inexpliquée. Elle pourrait être liée à lactivité de fusion, à laccrétion de gaz ou à des effets de rétroaction. Sil sagit de bulbes en formation, on ne sait pas comment ils évolueraient dans les bulbes et les galaxies elliptiques actuels. Néanmoins, ces nouvelles observations promettent une percée dans la compréhension de la formation des bulbes si des progrès supplémentaires peuvent être réalisés et si de nouvelles informations sont recueillies. Nous proposons un projet de doctorat dans lequel létudiant utilisera les données dimagerie et de spectroscopie du JWST pour éclairer ces questions. Limagerie provenant des relevés publics profonds et ultra-profonds qui saccumulent sera utilisée pour augmenter les statistiques et asseoir sur des bases plus solides les premiers résultats obtenus jusquà présent. La spectroscopie du JWST est la clé dune compréhension détaillée de systèmes spécifiques, fournissant des informations sur la cinématique des noyaux détoiles compactes en explosion ainsi que des disques extérieurs : si ces sous-systèmes sont en co-rotation sans perturbations majeures, ils devraient connaître une évolution non violente, liée à laccrétion de gaz. Au contraire, des sous-systèmes en contre-rotation ou des perturbations cinématiques trahiraient des événements de fusion. Ce type de test na pas encore été réalisé. Nous utiliserons une spectroscopie ciblée en partie déjà disponible dans le cadre du projet de diffusion rapide CEERS dont nous sommes membres, dans les grandes archives qui saccumulent et dans des propositions spécifiques (en attente et à soumettre dans les cycles futurs).

Les amas de galaxies sont les entités les plus massives de l’univers.
L’application de l’intelligence artificielle à l’analyse cosmologique de relevés d’amas en rayons X permet d’aborder cette problématique sous un angle totalement novateur. Ce sont les paramètres directement observables (redshift, flux et couleurs X) qui sont utilisés en apprentissage profond sur des simulations hydrodynamiques ; ceci permet d’établir une correspondance implicite avec la distribution de masse sous-jacente. De là, il est possible d’inférer les paramètres cosmologiques, sans calcul explicite de la masse des amas et sans formalisme empirique reliant les propriétés X à la masse.
Le but de la thèse est d’appliquer cette méthode, développée au DAP, au survey XMM-XXL qui est à ce jour le seul échantillon d’amas du satellite XMM avec effets de sélection contrôlés (~ 400 objets). Cette méthode originale constituera, 24 ans après le lancement d’XMM, une première dans la cosmologie observationnelle.

L’activité du Soleil est modulée selon un cycle magnétique de 11 ans en moyenne, avec un prochain maximum d’activité prévu pour l’année 2025. Cette montée en activité implique une plus grande variabilité temporelle de notre étoile, que ce soit au niveau de son champ magnétique avec des structures intenses apparaissant et disparaissant à un rythme plus élevé, mais également au niveau de son atmosphère qui va produire un vent de particules plus changeant en vitesse et densité. Ces variations ont de fortes conséquences pour la Terre, puisqu’il devient alors plus difficile de prédire leur impact sur notre société technologique, comme les blackouts radio ou les surcharges électriques. L’un des plus grands défis de la météorologie de l’espace actuellement est donc d’arriver à donner des prévisions fiables pour les événements les plus variables qui sont souvent également les plus extrêmes.
Cette thèse propose de profiter de la conjonction sans précédent d’observations disponibles pour le prochain maximum solaire avec les sondes Parker Solar Probe et Solar Orbiter afin d’améliorer significativement les modèles de vent solaire disponibles. L’étudiant pourra ainsi calibrer le modèle 3D MHD Wind Predict-AW, qui est l’un des plus avancés en Europe, afin de caractériser sa capacité à reproduire les conditions de maximum d’activité. Cette caractérisation impliquera des comparaisons automatisées avec différents jeux de données solaires, sur des simulations hautement parallèle (HPC) produisant des résultats à l’échelle du Big Data. Il participera également au développement d’un nouveau modèle capable d’évoluer dans le temps des magnétogrammes basé sur l’approche magnéto-frictionnelle et l’évolution du champ électrique photosphérique, soit les techniques les plus avancées pour l’évolution temporelle des structures magnétiques, et s’en servira pour quantifier l’information manquante au maximum de l’activité solaire et ainsi améliorer les prévisions en météorologie de l’espace.

Depuis 1995 nous avons aujourd’hui détecté plus de 5500 planètes autour d’étoiles autres que le Soleil. Aujourd’hui, la communauté de recherche se concentre sur la caractérisation de leur atmosphère (avec le JWST et dans le futur la mission ESA Ariel) et la détection de planètes telluriques dans la zone habitable de leur étoile (avec la future mission ESA PLATO). Cependant, un aspect majeur de ces exoplanètes nous échappe aujourd’hui: quel type de champ magnétique peuvent-elles posséder ’ÀA l’aide de simulations numérique haute performance, cette thèse vise à combler un manque crucial dans notre compréhension de la connexion magnétique étoile-exoplanète, en en quantifiant de façon précise l’énergétique et la dépendance temporelle. Grâce à ces avancées, il sera alors possible d’utiliser la détection de cette connexion pour caractériser le champ magnétique des exoplanètes, ouvrant le champ de recherche du magnétisme exoplanétaire.

Les nanoparticules interstellaires sont une composante cruciale des galaxies, car elles absorbent et ré-émettent le rayonnement stellaire, contrôlent le chauffage et le refroidissement du gaz, catalysent des réactions chimiques et régulent la formation détoiles. Labondance, la composition, la structure et la distribution de taille de ces petites particules solides, qui sont mélangées au gaz interstellaire, sont cependant mal connues. Elles évoluent en effet dans le milieu interstellaire et présentent des différences systématiques parmi les galaxies. Il est donc crucial dobtenir des contraintes détaillées et analysées en détail sur ces propriétés. Les progrès dans ce domaine sont absolument nécessaires pour interpréter correctement les observations de régions de formations détoiles proches et les galaxies distantes, ainsi que pour modéliser précisément la physique interstellaire.

Les propriétés optiques à grande longueur donde du mélange de nanoparticules, dans le domaine millimétrique, ont un intérêt particulier. Cette fenêtre spectrale est actuellement la moins bien connue. Pourtant, lopacité millimétrique des grains a une importance centrale, puisque les estimations de masse basée sur lajustement de la distribution spectrale dénergie reposent principalement sur cette quantité. Un biais ou une évolution systématique de lopacité millimétrique se traduira directement dans une inexactitude dans la masse de nanoparticules, qui est souvent utilisée pour inférer la masse de gaz dune région ou dune galaxie.

Notre programme de temps garanti, IMEGIN (Interpreting the Millimeter Emission of Galaxies at IRAM with NIKA2 ; resp. Madden ; 200 heures), avec la caméra NIKA2 au radiotélescope de 30-m de lIRAM, a complètement cartographié 20 galaxies proches à 1.2 mm et 2 mm. De plus, notre temps de programme ouvert, SEINFELD (Submillimeter Excess In Nearby Fairly-Extended Low-metallicity Dwarfs ; resp. Galliano ; 36 heures), est en train de compléter notre échantillon à faible métallicité (la métallicité étant la fraction de masse des éléments plus lourds que lhélium). Ces données nouvelles et exceptionnelles sont les première images de bonnes qualité de galaxies résolues aux longueurs donde millimétriques, et nous permettent détudier la manière dont varient les propriétés des grains avec les conditions physiques.

Le but de ce projet de thèse est de combiner ces observations avec dautres données multi-longueurs donde, déjà existantes (en particulier, WISE, Spitzer et Herschel), dans le but de démontrer comment lopacité millimétrique dépend des conditions physiques locales. La première étape consistera à traiter et homogénéiser les données. Létudiant aura aussi lopportunité de participer à notre campagne dobservations à Pico Veleta. Dans un second temps, létudiant modélisera lémission spatialement résolue, en utilisant notre code bayésien hiérarchique à létat de lart, HerBIE. Cela permettra à létudiant de produire des cartes des propriétés des nanoparticules et de les comparer avec les cartes des conditions physiques. Finalement, ces résultats seront utilisés pour modéliser les échelles de temps caractéristiques dévolution, sous les effets du champ de rayonnement et de laccrétion de gaz. Les mesures de laboratoire récemment produites par le groupe de Toulouse seront mises à profit. Ce travail sera effectué au sein de la collaboration internationale IMEGIN.

Les étoiles massives jouent un rôle clé dans le cycle du milieu interstellaire (ZinneckerYorke 2007) car ce sont elles qui contribuent majoritairement au budget énergétique à travers leur rétroaction radiative (luminosité, pression de radiation, ionisation) et cinétique (outflows, jets, vents et explosion de supernovæ).

Des observations récentes suggèrent que la formation des planètes ait lieu dans les toutes premières phases d’évolution des disques protoplanétaires (Manara et al. 2018 ; Tychoniec et al. 2020 ; Segura-Cox et al. 2020). La compréhension de la formation des planètes implique donc de bien comprendre et contraindre les phases de formation des étoiles et de leurs disques protoplanétaires qui peuvent être concomitantes à la formation des planétésimaux. Ces disques jeunes sont encore enfouis dans l’enveloppe proto-stellaire dense, ce qui rend leurs observations encore limitées avec les instruments actuels. Il est donc primordial de contraindre la physique de leur formation par le biais de simulations numériques.

L’objectif de cette thèse est d’étudier les phases précoces de formation des étoiles massives et de leur disque protoplanétaire. Pour ce faire, des simulations numériques avec le code RAMSES prenant en compte l’interaction de l’hydrodynamique, du champ magnétique, du rayonnement et de la dynamique de la poussière, seront menées. Les résultats numériques seront ensuite comparés aux observations pour mieux comprendre et contraindre les scénarios de formation des étoiles.

Le télescope spatial James Webb (JWST) révolutionne notre vision du premier milliard dannées après le big bang, en nous permettant de détecter les galaxies primordiales formées par leffondrement des premières surdensités de lUnivers. Les études initiales des propriétés de ces galaxies, en partie réalisées par notre équipe, ont révélé que leur formation est encore largement incomprise et potentiellement en tension avec le modèle cosmologique standard (LCDM). En effet, ces études ont mis en évidence un excès potentiel de galaxies massives primordiales, impliquant une croissance accélérée de ces galaxies à des efficacités de formation détoiles bien au-delà des prédictions des modèles théoriques. Avant dinvoquer des modèles cosmologiques et dévolution des galaxies radicalement différents, il est néanmoins nécessaire de confirmer ces tensions, qui ne reposent actuellement que sur des mesures très incertaines de la masse stellaire de quelques galaxies.
Cette thèse aura pour objectif de confirmer ou infirmer ces tensions en contraignant pour la première fois de manière solide la masse stellaire d’un large échantillon statistique de galaxies primordiales. Pour ce faire, nous combinerons les données de quatre relevés extragalactiques du JWST avec une approche statistique originale d’empilement d’images nous permettant d’obtenir la masse stellaire moyenne des galaxies primordiales qui sont autrement trop faibles pour être détectées individuellement par le JWST dans la fenêtre critique de l’infrarouge moyen. Ces informations, ainsi que celles obtenues sur leur activité de formation détoiles, seront déterminantes pour comprendre la croissance des premières galaxies de l’Univers.

La thèse vise à améliorer notre compréhension de lévolution précoce des poussières pendant la phase de formation du disque protoplanétaire, grâce à lanalyse dobservations multi longueurs donde et à leur comparaison à des prédictions de modèles de poussières évoluées couplés aux simulations numériques MHD de formation détoiles.

Ce projet vise à améliorer la synergie entre les observations astronomiques, les simulations cosmologiques numériques et la modélisation des galaxies. Les futurs instruments tels quEuclid, DESI et Rubin LSST, entre autres, permettront des relevés de galaxies à champ large avec des mesures extrêmement précises. La précision accrue des observations exigera cependant des prévisions théoriques robustes des modèles de formation des galaxies pour parvenir à une compréhension approfondie de la physique fondamentale sous-jacente aux mesures cosmologiques.

Pour atteindre cet objectif, les exa-supercalculateurs joueront un rôle clé. Contrairement aux supercalculateurs modernes, qui se composent généralement de milliers de CPU pour la production de simulations de pointe, les exa-supercalculateurs utiliseront une configuration hybride de CPU hôtes avec des accélératrices GPU. Cette configuration permettra deffectuer jusquà 10^18 opérations par seconde. Les exa-supercalculateurs révolutionneront notre capacité à simuler des volumes cosmologiques sétendant sur 4 gigaparsecs (Gpc) avec 25 billions de particules, les exigences minimales en termes de volume et de résolution nécessaires pour faire des prédictions sur les données dEuclid.

Cependant, le défi à ce jour réside dans le fait que les logiciels de simulation cosmologique conçus pour les exa-supercalculateurs manquent de modélisation de la formation des galaxies. Des exemples incluent le code HACC-CRKSPH (Habib et al. 2016, Emberson et al. 2019) et PKDGRAV3 (Potter, Stadel Teyssier 2017), qui ont produit les plus grandes simulations à ce jour, FarPoint (Frontiere et al. 2022), regroupant 1,86 billion de particules dans un volume de 1 Gpc, et Euclid Flagship (Potter, Stadel Teyssier 2017), présentant 2 billions de particules dans un volume de 3 Gpc, respectivement. Alors que HACC-CRKSPH et PKDGRAV3 ont été développés pour fonctionner sur des supercalculateurs modernes avec accélération GPU, ils manquent de la physique complexe de la formation des galaxies et ne peuvent donc produire que des boîtes cosmologiques basées uniquement sur la gravité.

Le code SWIFT (Schaller et al. 2023) est un effort parallèle qui a produit Flamingo (Schaye et al. 2023), la plus grande simulation intégrant la gravité, lhydrodynamique et la physique de la formation des galaxies, regroupant 0,3 billion de particules. Cependant, linconvénient de SWIFT est quil a été principalement conçu pour une utilisation CPU. Ladaptation de SWIFT pour fonctionner sur des GPU modernes nécessitera la refonte complète du code. Un autre exemple concerne les simulations actuelles de la formation des galaxies réalisées à lIrfu, telles quExtreme Horizon (Chabanier et al. 2020), qui ont également atteint leur limite car elles reposent sur des codes basés sur les CPU qui entravent leur extensibilité.

Comprendre les subtilités de la formation des galaxies est essentiel pour interpréter les observations astronomiques. Dans cette quête, le CEA DRF/Irfu est idéalement positionné pour conduire les avancées en astrophysique à lère émergente des exascales. Les chercheurs de DAp et DPhP ont déjà entrepris lanalyse de données de haute qualité de la mission Euclid et de DESI. Simultanément, une équipe de DEDIP développe DYABLO (Durocher Delorme, en préparation), un code robuste de gravité + hydrodynamique spécialement adapté aux exa-supercalculateurs.

Ces dernières années, dimportants investissements ont été orientés vers lavancement de DYABLO. De nombreux chercheurs de DAp et de DEDIP ont contribué sur divers aspects (de lhydrodynamique de la physique solaire à lamélioration des processus dentrée/sortie) grâce à des subventions collaboratives telles que la subvention PTC-CEA et le projet européen FETHPC IO-SEA. De plus, DYABLO a bénéficié dinteractions avec lunité de recherche CEA, Maison de la simulation (CEA CNRS).

Ce projet ambitieux vise à étendre les capacités de DYABLO en intégrant des modules de formation des galaxies en collaboration avec Maxime Delorme. Ces modules comprendront le refroidissement et le chauffage radiatifs du gaz, la formation détoiles, lenrichissement chimique, la perte de masse stellaire, la rétroaction dénergie, les trous noirs et la rétroaction des noyaux actifs de galaxies. Lobjectif ultime est daméliorer lanalyse des données dEuclid et de DESI en générant des prévisions de simulation de la formation et de lévolution des galaxies à laide de DYABLO. Lensemble initial de données impliquera un examen complet de la distribution de la matière et de la distribution des galaxies, en partenariat avec les chercheurs de DAp/LCEG et DAp/CosmoStat.

Cette thèse créera la première version dun code de formation des galaxies optimisé pour les supercalculateurs à léchelle exa. Les développements en cours permettront non seulement détendre ses capacités, mais aussi douvrir de nouvelles opportunités pour des recherches approfondies, améliorant la synergie entre les observations astronomiques, les simulations cosmologiques numériques et la modélisation des galaxies.

References:
Habib, S., et al., 2016, New Astronomy, Volume 42, p. 49-65.
Emberson, J.D., et al., 2019, The Astrophysical Journal, Volume 877, Issue 2, article id. 85, 17 pp.
Potter, D., Stadel, J., Teyssier, R., 2017, Computational Astrophysics and Cosmology, Vol. 4, Issue 1, 13 pp.
Frontiere, N., et al., 2023, The Astrophysical Journal Supplement Series, Volume 264, Issue 2, 24 pp.
Schaller, M., et al., 2023, eprint arXiv:2305.13380
Schaye, J., et al., 2023, eprint arXiv:2306.04024
Chabanier, S., et al., 2020, Astronomy Astrophysics, Volume 643, id. L8, 12 pp.

Lobjectif de cette thèse de doctorat est daméliorer la précision des mesures de masse des isotopes exotiques produits par le Super Spectrometer Separator (S3) à GANIL-SPIRAL2, en utilisant des techniques dacquisition de pointe qui intégrent lintelligence artificielle. Les capacités du spectromètre de masse à temps de vol PILGRIM pourront être pleinement exploitées par un développement collaboratif du système dacquisition FASTER au LPC Caen.

LIA (intelligence artificielle) change significativement la manière de résoudre les problèmes inverses en astrophysique.
En radio-interférométrie, la detection de radio sources et leur classification nécessitent de prendre en compte de nombreux effets comme un bruit non-Gaussien, un échantillonnage incomplet de lespace de Fourier, et la nécessité de construire un ensemble de données suffisant pour le training. La difficulté augmente quand la source à reconstruire évolue dans le temps. On trouve de tels exemples de variations temporelles dans différents problèmes inverses en astrophysique comme les objets transitoires (supernovae, fast radio burst, etc).
ARGOS est un projet pilote pour un interféromètre radio qui effectuera des observations continues en temps réel à grand champ dans des longueurs donde centimétriques. La combinaison dun large champ de vision et dune sensibilité élevée permettra à ARGOS de détecter des sources transitoires qui varient sur des échelles de temps inférieures à une seconde. ARGOS sera capable de détecter des milliers de sursauts radio rapides par an. Ces événements devront être différenciés avec précision des autres sources transitoires détectées par ARGOS, telles que les supernovae, les sursauts gamma, les naines blanches, les étoiles à neutrons, les blazars, etc. Compte tenu des courtes échelles de temps de certains de ces événements transitoires et de la nécessité de un suivi rapide, ARGOS aura besoin de solutions de classification de pointe utilisant des architectures dapprentissage automatique de pointe.
Cette these consiste à developper des outils novateurs issue du machine learning pour résoudre des problèmes de reconstruction dimage et de classification de sources.

La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique dimagerie médicale nucléaire largement utilisée en oncologie et en neurobiologie. La désintégration du traceur radioactif émet des positrons, qui sannihilent en deux photons de 511 keV. Ces photons sont détectées en coïncidence et utilisées pour reconstituer la distribution de lactivité du traceur dans le corps du patient.
Nous vous proposons de contribuer au développement d’une technologie ambitieuse et brevetée : ClearMind. Le premier prototype est à nos laboratoires. Ce détecteur de photons gamma utilise un cristal monolithique de PbWO4, dans lequel sont produits des photons Cherenkov et de scintillation. Ces photons optiques sont convertis en électrons par une couche photo-électrique et multipliés dans une galette à microcanaux. Les signaux électriques induits sont amplifiés par des amplificateurs gigahertz et numérisés par les modules dacquisition rapide SAMPIC. La face opposée du cristal sera équipée dune matrice du photomultiplicateur en silicium.
Des techniques dapprentissage automatique sont indispensables pour traiter les signaux complexes acquis et reconstruire le temps et les coordonnées du point de conversion gamma dans le cristal.

Le candidat travaillera sur le développement d’algorithmes dapprentissage automatique de haute efficacité pour la reconstruction des vertex d’interaction gamma dans le cristal monolithique. Ce travail consiste d’abord en lamélioration du logiciel de simulation du détecteur par son ajustement aux performances d’un prototype, étalonné en laboratoire.
Cette simulation alimentera une base d’entraînement pour le développement et loptimisation de réseaux de neurones profonds. Un effort particulier sera mis à prédire les paramètres du vertex et les incertitudes sur ces paramètres (i.e. IA de confiance).
Des étalonnages sur plusieurs détecteurs permettront de préparer plusieurs lots de données de test de performances réalistes, et d’évaluer la stabilité de nos méthodes aux changements de domaines. Ces données sont intrinsèquement bruitées et donc seront aussi des tests sévères de robustesse. Ces algorithmes permettront la reconstruction efficace de linteraction gamma en utilisant la forme complète du signal et/ou les données pré-traitées (features engineering). Une attention particulière sera portée au développement de réseaux compacts, efficaces et rapides. La possibilité dembarquer ces algorithmes dans des FPGA pour une reconstruction en ligne rapide pourra être étudiée.

Caractériser la structure multidimensionnelle des hadrons en termes de quarks et gluons est aujourd’hui l’un des objectifs majeurs de la physique hadronique. C’est en effet la thématique centrale de plusieurs installation expérimentales à travers le monde, mais également l’une des raisons principales de la construction de futurs collisionneurs aux États-Unis comme en Chine. C’est également l’un des points de recherche clés des simulations numériques intensives de l’interaction forte. Cependant, dans ces deux cas, la connexion entre les données mesurées et simulées d’une part, et la structure multidimensionnelle des hadrons d’autre part, n’est pas directe. Les données sont liées à la structure des hadrons via des problèmes inverses multidimensionnels et mathématiquement mal posés. Il a été montré que ces problèmes inverses entraînent un accroissement significatif des incertitudes, au point d’en devenir dans certains cas la source dominante. Le but de la thèse est d’utiliser des outils d’apprentissage automatique pour à la fois évaluer, réduire, propager correctement les incertitudes, depuis les données expérimentales ou de simulation jusqu’à la structure multidimensionnelle des hadrons. La stratégie pour y arriver consiste à développer une architecture originale de réseau de neurones capable de tenir compte de lensemble des propriétés théoriques issues de la chromodynamique quantique, puis de ladapter aux problèmes inverses reliant les données expérimentales et de simulation à la structure 3D des hadrons.

Les accélérateurs d’ions, dont protons, à très haute intensité ( 50 mA) trouvent de nombreuses applications dans divers champs de physique nucléaire ou de caractérisation des matériaux pour les applications médicales, nucléaires, etc. Le Département des Accélérateurs, de la Cryogénie et du Magnétisme (DACM) du CEA-Saclay est spécialiste de la conception et la réalisation de sources d’ions à très haute intensité.
Avec l’augmentation de l’intensité, ces sources deviennent de plus en plus complexes. Ainsi la maitrise de la qualité du faisceau devient critique, afin de limiter le dépôt de puissance et l’activation des éléments de l’accélérateur. Afin d’être en mesure de mieux comprendre et décrire ce faisceau, il est nécessaire de déterminer son émittance 4D, c’est-à-dire, à la fois la forme géométrique du faisceau mais aussi sa trajectoire. L’appareil permettant de faire cette mesure est appelée émittancemètre 4D.
Un tel dispositif basé sur un scintillateur a déjà été conçu et testé. Ce scintillateur convertit une partie du faisceau en une image, qui est ensuite captée par une caméra. Malheureusement, si cette technologie est fonctionnelle à haute énergie, elle ne convient pas en sortie de source, à faible énergie, car les couches de scintillation sont très rapidement endommagées par le flux d’ions.
La méthode de lecture par charge proposée dans cette thèse est inédite et profite de la synergie entre la recherche sur les détecteurs de particule pour la physique des hautes énergies et celle sur les sources de protons. Ainsi a la place d’une lecture par caméra, l’idée est de mesurer, à partir d’un PCB (circuit imprimé) placé directement dans le faisceau, le courant apporté par les ions. Cette méthode apporte la possibilité de lire ce courant en plusieurs milliers de positions afin dobtenir l’émittance 4D. Le système d’acquisition rapide permettra également d’observer la variation temporelle de l’émittance pendant les phases de démarrage et d’arrêt de la source.
Ce dispositif sera utilisé en particulier pour lanalyse du faisceau produit par les sources ALISES développées par le laboratoire.

Les accélérateurs d’ions légers (protons, deutons…), à très haute intensité (typiquement supérieure à 50 mA) trouvent de nombreuses applications dans divers champs de la physique. Du projet d’accélérateur dIFMIF, caractérisant les futurs matériaux pour les réacteurs à fusion, à IPHI-Neutrons, produisant des images par radiographie neutronique, le CEA est impliqué dans de nombreux projets nécessitant la conception et la réalisation de sources d’ions à très haute intensité. La demande croissante en intensité et en qualité de faisceau de ces sources d’ions nécessite de mieux comprendre et prédire leur fonctionnement.
Les sources d’ions sont composées d’une chambre à plasma insérée dans une bobine magnétique, dans laquelle est injecté un gaz chauffé par une onde RF. Les ions produits sont extraits de la chambre grâce à un champ électrique appliqué sur des électrodes d’extraction. Leur fonctionnement repose donc sur un grand nombre de paramètres. La détermination d’un jeu de paramètres idéal est très complexe à réaliser, et aucun logiciel ne permet aujourd’hui de prédire avec assurance le bon fonctionnement d’une source d’ions.
Le CEA travaille depuis plusieurs années à la conception d’un banc de test, BETSI, permettant de tester et d’optimiser diverses sources d’ions pour de futurs projets accélérateurs. Des campagnes expérimentales ont été réalisées, par le passé, sur ce banc de test, pour tester des jeux de paramètres de façon systématique.
Dans le cadre de cette thèse, nous proposons de développer un code de simulation prenant en compte l’ensemble des paramètres que nous pourrons qualifier sur BETSI (sur les expériences passées ou de nouvelles). Nous pourrons alors utiliser le code pour proposer de nouvelles sources pour les nouveaux projets d’accélérateurs.

Le groupe CMS du CEA-Saclay/IRFU/DPhP souhaite proposer une thèse sur la recherche de la production de paires de bosons de Higgs se désintégrant en une paire de quarks b, et une paire de leptons t. Létude de cette production permet un accès direct à lautocouplage du boson de Higgs, paramètre qui reste à mesurer. L’étudiant(e) sélectionné(e) prendra part à des activités de recherche déjà bien établies au sein de la collaboration CMS, et du groupe du CEA, en lien avec plusieurs instituts en France et à l’étranger. Il ou elle sera en charge du développement d’une analyse utilisant les données collectées lors du Run 3 du LHC, et de l’optimisation de sa stratégie de déclenchement par rapport à l’analyse précédente basée sur les données du Run 2. Plusieurs publications sont à prévoir: une première décrivant une analyse utilisant les données collectées en 2022 et 2023, combinées aux données du Run 2 pourra être considérée si le gain en sensibilité attendu est avéré, suivi d’une nouvelle publication basée sur l’ensemble des données des Runs 2 et 3. Une contribution à la combinaison des diverses analyses HH sera aussi envisagée.
En parallèle, il ou elle pourra prendre part aux activités de développement calorimétrique en cours au CEA-Saclay, bénéficiant de la grande expertise du groupe sur le sujet.

Ce projet de thèse concerne la mesure précise de langle de mélange électrofaible avec expérience ATLAS, au LHC. L’évolution avec l’énergie de ce paramètre fondamental sera également testée. La mesure sera basée sur lensemble des données di-muon des runs 2 et 3 du LHC, et exploitera le spectromètre à muons comme instrument principal.

La détermination de langle de mélange est basée sur la mesure de l’asymétrie avant-arrière des muons de désintégration du boson Z. Pour un contrôle précis des incertitudes systématiques, lalignement interne du spectromètre doit être optimisé. Cet alignement constitue une part importante du projet. La performance de la New Small Wheel, nouveau détecteur à muons installé pour le run 3, devra également être comprise en détail. La mesure à proprement parler sera réalisée à lissue de ces études préliminaires, et interprétation du résultat complétera la thèse.

Ce projet de thèse concerne la mesure précise de langle de mélange électrofaible avec lexpérience P2, auprès de accélérateur MESA, a Mayence. La mesure permettra de tester, pour la première fois, la prédiction du Modèle Standard pour l’évolution de ce paramètre fondamental en fonction de l’échelle d’énergie, et les effets déventuelles nouvelles particules ou interactions.

La détermination de langle de mélange repose sur une mesure précise de la variation de la section efficace de diffusion dun faisceau délectrons, sur une cible dhydrogène liquide, en fonction de la polarisation du faisceau. Cette asymétrie, mesurée en diffusion vers lavant, est affecté dincertitudes systématiques importantes liées à la structure du proton. Une mesure de la diffusion vers larrière, à laide dun détecteur dédié, permet de réduire ces incertitudes, et constitue lobjet de cette thèse.

Le projet de thèse arrive a un moment crucial par rapport au développement de lexpérience, et permettra à létudiant-e de participer directement à la construction dun détecteur de très haute performance, à son installation dans lexpérience P2, et à son exploitation scientifique.

La double désintégration bêta sans neutrinol (0n2b) est une transition nucléaire théorique dont lobservation constituerait une étape majeure dans la physique des particules et, en particulier, des neutrinos. Ce processus, sil existe, viole la loi de conservation du nombre de leptons et confirme la nature de Majorana du neutrino. La détection de 0n2b est une tâche difficile, car il sagit dune désintégration très rare (T1/210^26 ans), et les expériences nécessitent une grande efficacité de détection, une résolution en énergie, une radiopureté, une grande masse et des niveaux de bruit de fond très faibles. Plusieurs expériences à léchelle de la tonne sont en préparation, mais en parallèle, de nouvelles approches doivent être étudiées pour obtenir des niveaux de sensibilité plus élevés. Le projet TINY propose une nouvelle technologie de détection, basée sur des détecteurs cryogéniques (mesurés à des températures de lordre du mK). Le sujet de thèse sera principalement consacré au développement de nouveaux capteurs thermiques, à la caractérisation de détecteurs contenant du Zr- et du Nd, à lévaluation des performances et à lévaluation de lapplicabilité de la technologie pour une expérience à léchelle de la tonne. Létudiant développera des compétences sur le fonctionnement des installations cryogéniques, le traitement des signaux, lanalyse des données et les simulations. Enfin, un démonstrateur sera préparé dans le but détablir de nouvelles limites pour le 0n2b pour le 96-Zr et le 150-Nd, et deffectuer des mesures de précision de la désintégration du 2n2b.

En collaboration avec le laboratoire Thomas Jefferson (JLab) aux USA, les scientifiques du Laboratoire de structure du nucléon à lIrfu cherchent à comprendre comment quarks et gluons sassemblent pour former les hadrons tels que les protons, les neutrons et les pions. A JLab, un faisceau délectrons de 11 GeV est envoyé sur une cible de protons. Ces protons sont constitués de trois quarks avec un nuage de paires quark/antiquark portant les mêmes nombres quantiques que le pion. Les électrons du faisceau vont interagir avec ces paires quark/antiquark, nous permettant de sonder leur structure assimilable à un pion. Plus précisément, nous nous intéresserons à la diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) renseignant sur les corrélations entre impulsion longitudinale et position transverse des quarks dans un pion. En dautres termes, nous effectuerons la toute première étude tri-dimensionnelle de la structure dun pion. Le/la doctorante analysera les données déjà collectées de CLAS12 afin disoler les collisions DVCS. Nous développerons un jumeau numérique de la chaîne simulation Geant4/reconstruction avec un conditional Generative Adversarial Network qui nous permettra de caractériser plus rapidement et plus justement le bruit de fond afin de le soustraire plus efficacement. Le doctorant voyagera deux à trois fois par an au JLab afin de participer aux prises de données en cours et au meeting de collaboration. Les résultats seront présentés en conférence internationale et publiés dans des journaux scientifiques.

La collaboration PandaX-III propose de déterminer si le neutrino est une particule de Majorana, cest-à-dire sa propre antiparticule. Dans ce but cette collaboration internationale, à laquelle participe linstitut de recherche sur les lois fondamentales de lunivers (IRFU) du CEA Saclay, veut mettre en évidence des doubles désintégrations bêta du Xénon 136 sans émission simultanée de neutrino, où lapparition des deux électrons nest pas compensée par lémission de deux anti-neutrinos. Une telle découverte violerait le principe de conservation du nombre leptonique, en contradiction avec le Modèle Standard de la physique des particules. Cette recherche dévénements rares nécessite lutilisation dune énorme quantité de Xénon 136, un site expérimental profond protégé des rayons cosmiques et non radioactif, le laboratoire souterrain de Jinping (CJPL, province du Sichuan, Chine), et une détection de très haute performance. La première phase de lexpérience vise à construire un premier module TPC (chambre à projection temporelle) de 145kg de Xénon, qui sera plus tard suivi de quatre autres modules de 200kg. Les TPC seront dotées de détecteurs capables de mesurer lénergie des deux électrons bêta avec une excellente précision. Le premier module TPC sera mis en service vers la fin 2024. Le parcours des deux électrons émis lors de la désintégration double-bêta sera alors reconstruit afin de mesurer lénergie initiale de ces électrons et de reconnaître la topologie de leurs trajectoires et de les différencier des événements de bruit de fond gammas qui némettent quun seul électron. Ce module sera équipé de détecteurs gazeux Micromegas qui présentent une bonne résolution en énergie et une très bonne radio-pureté limitant la présence de bruits de fond gammas de contamination radioactive.

La collaboration PandaX-III est en train de compléter la construction du premier module TPC. Celui-ci sera installé sur place au CJPL au cours de lannée 2024. Des algorithmes de reconstruction des données des détecteurs par réseaux neuronaux sont en cours de développement, afin de compléter les méthodes analytiques déjà implémentées dans lenvironnement de reconstruction et danalyse de données REST pour optimiser la sélection des événements double-bêta par rapport aux bruits de fond gammas et la qualité de la reconstruction de lénergie des électrons. Ces algorithmes sont entraînés et testés au fur et à mesure sur des données Monte-Carlo. Les données dun prototype de TPC de taille réduite seront aussi disponibles pour des tests des algorithmes en conditions réelles. Dès linstallation du premier module fin 2024 ces algorithmes seront utilisés pour la calibration des détecteurs et leur prise en compte dans lanalyse, et pour lextraction des premiers résultats de physique sur la production des événements de désintégration double-bêta.

Le travail principal du doctorant sera de contribuer au développement des algorithmes de reconstruction des données par réseaux neuronaux, principalement en prenant en compte les imperfection des détecteurs (voies manquantes, inhomogénéité des performances, impuretés du gaz, etc...) et en implémentant dans REST les méthodes de correction des données nécessaires pour compenser ces imperfections. Ce travail impliquera létude des données de chambres de test, ainsi que de simulations Monte Carlo. Dautre part, dès que les données du premier module seront disponibles le doctorant participera à lanalyse de ces données et à lextraction des résultats. Les résultats de ces études feront lobjet de publications et de présentations en conférence. Létudiant pourra aussi participer à une RD sur loptimisation des détecteurs Micromegas afin daméliorer leur résolution en énergie, ainsi que leur fonctionnement à haute pression et en environnement de Xénon gazeux.

Un stage de Master 2 de 4 à 6 mois pourra être effectué préalablement à cette thèse au sein du groupe PandaX-III du DPhN.

Le boson de Higgs découvert au LHC en 2012 constitue la pierre angulaire du Modèle Standard (MS). Ces propriétés, comme sa masse ou son spin, sont aujourd’hui de mieux en mieux connus. Néanmoins la largeur totale du boson de Higgs reste un paramètre fondamental très difficile à mesurer au LHC sans le renfort d’hypothèses théoriques.
Nous nous proposons ici de poursuivre une approche originale pour mesurer ce paramètre, approche uniquement possible dans le canal de désintégration du boson de Higgs en 2 photons. En effet, la position du pic de masse, dans ce canal, dépend de l’interférence entre le signal du boson de Higgs et le bruit de fond. Le décalage ainsi obtenu dépend de la largeur naturelle du boson de Higgs. Ce décalage est très faible dans le MS mais pourrait être plus important en considérant des bosons de Higgs produits à haute impulsion transverse.
Ce type d’analyse requiert une maitrise approfondie des différentes incertitudes reliées à l’appareillage expérimental, en particulier au calorimètre électromagnétique (ECAL), et de la reconstruction des objets électromagnétique. En vue d’améliorer cette dernière, l’étudiant développera une approche nouvelle de reconstruction des objets électromagnétiques basée sur une technique initiée au CEA-Irfu par le groupe CMS et utilisant des méthodes de pointe en intelligence artificielle (Convolutionnal NN et Graph NN).
Ces deux aspects seront abordés en parallèle dans le cadre de cette thèse. L’étudiant sera encadré par le groupe CMS de l’Irfu dont l’expertise dans le ECAL et dans le canal de désintégration du boson de Higgs en deux photons est reconnue internationalement.

Cette thèse se concentre sur la mesure de la polarisation des hyperons Lambda dans des processus profondément virtuels de production exclusif de mesons. Létude est ancrée dans une découverte surprenante des années 1970 : lors de collisions proton-béryllium, les hyperons Lambda ont montré une polarisation transverse, remettant en question les prédictions de la chromodynamique quantique perturbative. Des polarisations similaires ont depuis été observées dans divers systèmes de collisions.
Le sujet de recherche proposé exploite des réactions exclusives profondément virtuelles dans la diffusion électron-proton, ce qui permet un contrôle précis des états finaux et des polarisations initiales des particules. Plus précisément, la réaction e+p-e+Lambda+K+ est explorée pour éclairer la polarisation des hyperons Lambda. Ce processus est également sensible aux distributions généralisées de partons de transversité (GPD), encore très peu connues du nucléon, offrant des informations précieuses sur les propriétés du nucléon.
La thèse vise à analyser les données collectées avec lexpérience CLAS12 au Jefferson Laboratory (JLab, USA), en se focalisant sur les collisions e-p avec une cible NH3 polarisée longitudinalement. Des algorithmes dapprentissage automatique et des simulations seront utilisés pour améliorer la reconstruction des données et la sélection des candidats dévénements. Le candidat contribuera également aux études de simulation pour les futurs détecteurs et leurs algorithmes de reconstruction pour lElectron Ion Collider (EIC).
La recherche sera menée au sein du Laboratoire de Structure Nucléaire de CEA/Irfu. Des connaissances en physique des particules, en informatique (C++, Python) et une connaissance des détecteurs de particules sont souhaitable pour un démarrage rapide de lanalyse des données.
Létudiant.e aura lopportunité de collaborer avec des chercheurs locaux et internationaux, de participer à la collaboration CLAS, de rejoindre le groupe dutilisateurs de lEIC avec des voyages fréquents aux États-Unis pour la collecte de données et des workshops, et de présenter les résultats de sa recherche lors de conférences internationales.

Au grand collisionneur de hadrons (LHC) à Genève, des collisions de noyaux de plomb sont utilisées pour créer un système thermodynamique décrit par la dynamique des fluides sous des conditions extrêmes. La température du système est suffisamment grande pour relâcher les blocs fondamentaux de la matière à une échelle subnucléonique, les quarks et les gluons. Cet état de la matière est nommé le plasma de quarks et de gluons (PQG). L´évolution de l´espace-temps des collisions d´ions lourds au LHC est décrite par l´hydrodynamique d´un fluide presque parfait après une durée très courte. Néanmoins, des aspects clés des premières phases de ces collisions sont largement inconnus. Les caractéristiques sont cruciales pour la compréhension de l´applicabilité de l´hydrodynamique et pour la compréhension de la thermalisation de la matière en interaction forte. Dans des publications récentes, il a été mis en évidence que la production des dileptons dans la gamme de masse intermédiaire entre 1.5 GeV/c² et 5 GeV/c² est hautement sensible à l´échelle temporelle de la ´thermalisation´ vers le PQG à l´équilibre.

En plus, le LHC fournit des faisceau de protons et d´ions lourds de haute énergie. Ils permettent d´accéder à la structure hadronique des projectiles à des fractions d´impulsion très petites et, en même temps, à des échanges de quadri-impulsions relativement grands. Cette configuration permet donc de conduire des calculs perturbatifs qui nous autorisent à accéder à l´information de structure hadronique à très basse impulsion longitudinale. Le processus théoriquement le mieux compris dans des collisions hadroniques est la production des paires de dileptons, le processus Drell-Yan. Par contre, jusqu´à présent, il n´y a pas eu de mesure descendant jusqu´aux masses de 3 GeV/c² à un collisionneur de hadrons malgré la motivation théorique de tester les partons avec des fractions d´impulsion longitudinale faible. En effet, à des masses en dessous d´environ 30 GeV/c², des désintégrations semileptoniques de hadrons de saveurs lourdes commence à dominer la production des dileptons. Ce processus a occulté chaque tentative d´extraire la production des dileptons dans cette région cinématique.

Le premier but de la thèse est la première mesure de la production de dimuons Drell-Yan à des masses invariantes basses au LHC dans des collisions proton-proton qui vont être prises en 2024. Le mesure sera basée sur des techniques de suppression de bruits de fonds novatrices grâce à la géométrie à l´avant de LHCb. Dans une deuxième partie, la faisabilité de la mesure dans des collisions d´ions lourds sera investiguée dans les configurations présentes et futures du détecteur de LHCb.

La méthode CRAB vise à calibrer de manière absolue 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). 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 portée par TU-Munich et dans laquelle le CEA est fortement impliquée) a permis de valider la méthode [3].

Le travail de cette thèse s’inscrit dans la deuxième phase de ce projet qui consiste à réaliser des mesures de haute précision avec un faisceau de neutrons thermiques du réacteur TRIGA-Mark-II à Vienne (TU-Wien, Autriche). Deux approches complémentaires seront menées de front pour atteindre une haute précision : 1/ la configuration du détecteur cryogénique sera optimisée pour une très bonne résolution en énergie, 2/ de larges cristaux de BaF2 et de BGO seront placés autour du cryostat pour une détection en coïncidence du recul nucléaire dans le détecteur cryogénique et du rayon gamma qui a induit ce recul. Cette méthode de coïncidence réduira significativement le bruit de fond et permettra d’étendre la méthode CRAB à un plus large domaine d’énergie et aux matériaux constitutifs de la plupart des détecteurs cryogéniques. Nous attendons de ces mesures une caractérisation unique de la réponse des détecteurs cryogéniques, dans un domaine d’intérêt pour la recherche de la matière noire légère et la diffusion cohérente de neutrinos. La haute précision permettra également l’ouverture d’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 lors du recul d’un noyau) [4].

L’étudiant(e) sera fortement impliqué dans tous les aspects de l’expérience : la simulation, l’installation sur site, l’analyse et l’interprétation des résultats obtenus.

La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique dimagerie médicale nucléaire largement utilisée en oncologie et en neurobiologie. La désintégration du traceur radioactif émet des positrons, qui sannihilent en deux photons de 511 keV. Ces photons sont détectées en coïncidence et utilisées pour reconstituer la distribution de lactivité du traceur dans le corps du patient.
Nous vous proposons de contribuer au développement d’une technologie ambitieuse et brevetée : ClearMind.
Vous travaillerez dans un laboratoire d’instrumentation avancé dans un environnement de physique des particules.
Il s’agira d’abord d’optimiser les « composants » des détecteurs ClearMind, pour parvenir à des performances nominales. Nous travaillerons sur les cristaux scintillants, les interfaces optiques, les couches photo- électriques et les photo-détecteurs rapides associés, les électroniques de lectures.
Il s’agira ensuite de caractériser les performances des détecteurs prototypes sur nos bancs de mesure en développement continu. Les données acquises seront interprétées au moyen de logiciels d’analyse « maison » écris en langage C++ et/ou Python.
Il s’agira enfin de modéliser le fonctionnement physique de nos détecteurs au moyen de logiciels de
simulation Monté-Carlo (logi- ciels Geant4/Gate)) et de confronter nos simulations à nos résultats sur bancs de mesure. Un effort particulier sera consacré au développement de cristaux scintillants ultra rapides dans le contexte d’une collaboration européenne.

Pourquoi lUnivers observable aujourdhui est-il constitué de matière, sans aucune quantité significative dantimatière ’ Les neutrinos apportent un éclairage sur ce mystère cosmique.
En 2020, la collaboration T2K au Japon a publié dans le journal Nature [1] de nouveaux résultats aboutissant à la meilleure contrainte à ce jour sur le paramètre dCP, qui traduit dans la théorie le degré d’asymétrie entre matière et antimatière. Les résultats de T2K excluent pour la première fois près de la moitié des valeurs possibles à 99.7% (3s) et la valeur la plus compatible avec les données est très proche de -90° correspondant à une asymétrie maximale entre la matière et l’antimatière. T2K a la meilleure sensitivité mondiale pour ce paramètre fondamentale et va collecter des nouvelles données dés 2023 avec un détecteur amélioré à la recherche d’une possible découverte de violation de symétrie.
T2K est une expérience sur les neutrinos conçue pour étudier le passage des neutrinos dune saveur à une autre au cours de leur voyage (oscillations des neutrinos). Un faisceau intense de neutrinos muoniques est généré sur le site de J-PARC sur la côte est du Japon et dirigé vers le détecteur de neutrinos Super-Kamiokande dans les montagnes de louest du Japon. Le faisceau est mesuré une fois avant de quitter le site du J-PARC, à laide du détecteur proche ND280, et à nouveau à Super-Kamiokande: lévolution de lintensité mesurée et de la composition du faisceau est utilisée pour déterminer les propriétés des neutrinos.

Les travaux de la thèse comprendront l’analyse des données pour la mesure des oscillation des neutrinos avec un nouveau détecteur proche installé en 2023. Lobjectif de ce nouveau détecteur est de mesurer le taux de production et dinteraction des neutrinos afin que lincertitude sur le nombre dévénements prédits à Super-Kamiokande soit réduite à environ 4% (contre environ 8 % à ce jour).
L’étudiant travaillera sur la mesure des oscillations des neutrinos avec les nouvelles données de T2K. La jouvence du détecteur proche nécessitera la mise en place dune nouvelle stratégie danalyse. Pour la première fois, la mesure des protons et neutrons de faible moment produits par les interactions de neutrinos sera exploitée. En parallèle, une autre partie importante de lanalyse qui doit être revisitée pour faire face à laugmentation des statistiques, est la modélisation du flux de neutrinos produits par la ligne de faisceau de laccélérateur.
Une nouvelle génération dexpériences devrait multiplier la production de données dans les prochaines décennies. Au Japon, l’expérience Hyper-K, et aux USA, l’expérience DUNE, seront opérationnelles vers les années 2027-2028. Le travail propose dans cette thèse ouvrira des nouvelles stratégie d’analyse essentielles aussi pour cette prochaine génération expérience. Si leurs nouvelles données confirment les résultats préliminaires de T2K, les neutrinos pourraient bien apporter avant dix ans une clé pour résoudre le mystère de la disparition de lantimatière dans notre Univers.

Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre de l’expérience NUCLEUS, qui a pour but de mesurer précisément le processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN) sur la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes. Bien qu’aux énergies du ~MeV, la DCNN soit le mode prépondérant d’interaction des neutrinos avec la matière, elle est restée très longtemps inobservée à cause de la difficulté à mesurer les faibles reculs nucléaires qu’elle produit. Ce n’est que 40 ans après sa prédiction que ce processus a été observé pour la première fois en 2017 avec des neutrinos de quelques dizaines de MeV à l’accélérateur du laboratoire d’Oak Ridge. La détection de ce processus sur un réacteur nucléaire reste à faire, notamment parce que les reculs nucléaires correspondants se situent dans une gamme en énergie (~100 eV) très difficilement accessible avec des technologies de détection conventionnelles, mais aussi à cause des conditions de bruit de fond généralement défavorables qu’offre l’environnement d’une centrale nucléaire. La collaboration NUCLEUS développe ainsi un système de détection innovant répondant à ces deux problématiques. Il utilisera deux réseaux de calorimètres cryogéniques d’une masse d’environ 10g capables d’atteindre des seuils de l’ordre de 10eV, entourés par un double système de blindages cryogéniques instrumentés. Cet ensemble de détecteurs cryogéniques, installé dans un cryo-réfrigérateur à tube pulsé, sera protégé par un blindage radiologique externe et par un véto muon pour améliorer l’identification et la discrimination des bruits de fond externes typiquement présents sur un site expérimental en surface tel que celui aménagé à Chooz pour l’expérience (rayons cosmiques secondaires et radioactivité naturelle). Avec cet ensemble, NUCLEUS a pour objectif une première observation de la DCNN auprès d’un réacteur nucléaire, en établissant une toute nouvelle technique pour la détection des antineutrinos de réacteur. Dans une seconde phase, NUCLEUS augmentera sa masse de détecteur cible pour une mesure précise de la DCNN afin de pousser l’étude des propriétés fondamentales du neutrino ainsi que la recherche de nouvelle physique vers les basses énergies, domaine qui reste aujourd’hui largement inexploré. La DCNN se distingue d’autre part des canaux usuels de détection des neutrinos du MeV (désintégration beta inverse, diffusion neutrino-électron), par une section efficace 10 à 1000 fois supérieure, permettant d’entrevoir à terme une miniaturisation des détecteurs de neutrinos à longue portée.

L’expérience est actuellement dans une première phase de mise en service et de tests dans les locaux de l’université technique de Munich. S’ensuivront courant 2024 plusieurs prises de données, dont le but est de (i) qualifier et valider les performances des différents détecteurs, (ii) valider la stratégie globale de réduction des bruits de fond et (iii) étudier et mitiger « l’excès », un accroissement exponentiel du taux de comptage d’évènements à basse énergie observés dans les calorimètres cryogéniques, d’origine inconnue, et qui pourrait dégrader la sensibilité de l’expérience à un signal DCNN. Le déménagement sur la centrale nucléaire de Chooz se fera après l’été 2024, phase qui sera pilotée par nos équipes. C’est dans ce contexte que l’étudiant(e) débutera sa thèse, en participant à l’ensemble des opérations d’intégration et de mise en service de l’expérience sur site. Cette étape cruciale nécessitera la mise en place de nombreux tests et prises de données pour régler, mettre au point et synchroniser les différents systèmes de détection de l’expérience. Elle/il se concentrera particulièrement sur le véto cryogénique externe et le véto muon, qui ont été conçus et réalisés par nos équipes. L’analyse et l’exploitation des données issues de cette phase de mise en service permettront à l’étudiant(e) de se familiariser avec l’ensemble des outils d’analyse bas- et haut-niveau existants pour le diagnostic et la caractérisation de ces détecteurs. L’une de ses tâches sera à terme d’améliorer ces outils, et de mettre en place une chaine d’automatisation pour le diagnostic et le traitement du large volume de données journalières (environ 10 TB) qui sera pris lors du premier run de physique de l’expérience.
L’extraction du signal de DCNN nécessite en amont plusieurs études. La première est de caractériser la réponse en énergie et en temps des détecteurs sur la période de prise de données. L’étudiant(e) prendra en charge l’une de ces tâches, en s’appuyant sur le travail déjà accompli pendant la phase de mise en service. Ce travail aboutira à une compréhension fine du fonctionnement des détecteurs et l’identification de tous les facteurs susceptibles d’influer sur leur comportement. À noter que notre équipe a proposé et est responsable d’une méthode d’étalonnage innovante des calorimètres cryogéniques aux reculs nucléaires, avec l’installation d’un banc de mesures dédié sur un réacteur de recherche de faible puissance situé à l’université technique de Vienne (Autriche). L’étudiant(e) pourra éventuellement s’impliquer dans cet effort en vue de l’interprétation des données collectées à Chooz. Fort de ces résultats, l’étudiant(e) s’attachera ensuite à l’extraction et à l’étude d’une composante spécifique de bruit de fond dans les données. Ce travail permettra de consolider et d’ajuster un modèle prédictif des bruits de fond de l’expérience utilisant l’outil de simulation Monte Carlo Geant 4. Enfin, l’étudiant(e) s’attachera à mettre en place des tests statistiques simples pour caractériser le niveau de confiance avec lequel un signal DCNN peut-être extrait des données après soustraction des bruits de fond mesurés.
Pour terminer, l’étudiant(e) pourra utiliser les premières données issues du run de physique à Chooz pour mener une étude originale sur la recherche de nouvelle physique avec la DCNN (mesure de l’angle de Weinberg à basse énergie, recherche de nouveaux couplages des neutrinos à la matière, études des propriétés électromagnétiques du neutrino, etc.). Ce travail nécessitera de mettre en place des outils fins de traitement statistique des données, afin d’une part de comprendre l’impact des différentes sources d’incertitudes, d’origine expérimentale ou théorique, sur les contraintes obtenues, et d’autre part de garantir la fiabilité des résultats.

Particle reconstruction in collider detectors is a multidimensional problem where machine learning algorithms offer the potential for significant improvements over traditional techniques. In the Compact Muon Solenoid (CMS) detector at the Large Hadron Collider (LHC), photons and electrons produced by the collisions at the interaction point are recorded by the CMS Electromagnetic Calorimeter (ECAL). The large number of collisions, coupled with the detectors complex geometry, make the reconstruction of clusters in the calorimeter a formidable challenge. Traditional algorithms struggle to distinguish between overlapping clusters created by proximate particles. In contrast, It has been shown that graph neural networks offer significant advantages, providing better differentiation between overlapping clusters without being negatively affected by the sparse topology of the events. However, it is crucial to understand which extracted features contribute to this superior performance and what kind of physics information they contain. This understanding is particularly important for testing the robustness of the algorithms under different operating conditions and for preventing any biases the network may introduce due to the difference between data and simulated samples (used to train the network).
In this project, we propose to use Gradient-weighted Class Activation Mapping (Grad-CAM) and its attention mechanism aware derivatives to interpret the algorithms decisions. By evaluating the extracted features, we aim to derive analytical relationships that can be used to modify existing lightweight traditional algorithms.
Furthermore, with the upcoming High Luminosity upgrade of the LHC, events involving overlapping clusters are expected to become even more frequent, thereby increasing the need for advanced deep learning techniques. Additionally, precision timing information of the order of 30 ps will be made available to aid in particle reconstruction. In this PhD project, we also aim to explore deep learning techniques that utilize Graph and Attention mechanisms (Graph Attention Networks) to resolve spatially proximate clusters using timing information. We will integrate position and energy deposition data from the ECAL with precision timing measurements from both the ECAL and the new MIP Timing Detector (MTD). Ultimately, the developed techniques will be tested in the analysis of a Higgs boson decaying into two beyond-the-standard-model scalar particles.

We are seeking an enthusiastic PhD candidate who holds an MSc degree in particle physics and is eager to explore cutting-edge artificial intelligence techniques. The selected candidate will also work on the upgrade of the CMS detector for the high-luminosity LHC.

Quelques micro-secondes après le Big Bang l’Univers se trouvait dans un état de plasma de quarks et de gluons (QGP). Cet état, prédît par la Chromodynamique Quantique, la théorie de l’interaction forte, est atteint pour des températures ou des densités d’énergie très élevées. Ces conditions sont réunies dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes au LHC au CERN.
Parmi les différentes observables du QGP, l’étude de la production d’hadrons contenant des quarks lourds (c ou b) et des quarkonia (états liés c-cbar ou b-bbar) est particulièrement pertinente pour comprendre les propriétés du QGP. En effet, les quarks lourds sont produits par collisions entre partons des noyaux incidents aux premiers instants de la collision, et subissent donc toute la dynamique de la collision.
Grâce aux mesures de production de J/psi (c-cbar) dans les collisions Pb-Pb lors des Runs 1 et 2 du LHC, la collaboration ALICE a mit en evidence le mécanisme de regeneration des quarkonias: quand le nombre initial de paires quark/anti-quark est élevé, et que les quarks lourds thermalisent dans le QGP, alors des nouveaux quarkonia peuvent être crées par le QGP par recombinaison de quarks lourds. D’autres mécanismes tels que la suppression par ecrantage de couleur affectent aussi la production des quarkonia. Les mesons Bc sont constitués d’un quark b et un antiquark c (et conjugué de charge). De ce fait, leur production dans des collisions proton-proton est largement défavorisé. Néanmoins, dans les collisions Pb-Pb, la production du Bc pourrait être largement augmenté grâce au mécanisme de regeneration.
Nous proposons d’étudier la production des mésons Bc dans les collisions Pb-Pb à une énergie dans le centre de masse de la collision par paire de nucleon (sqrt(sNN)) de 5.36 TeV au LHC avec les données du Run 3 (2022-2025). Le système de détection d’ALICE a été amélioré en vue des Runs 3 et 4 avec l’ajout d’un trajectographe à pixels en silicium (MFT) pour compléter le spectromètre à muons d’ALICE et une nouvelle électronique de lecture de ce dernier. Ces ameliorations permettront, d’une part, de profiter au maximum de l’augmentation en luminosité du LHC et ainsi de tripler en une seule année la quantité de données collectées pendant tout le Run 2 (2015-2018) du LHC et, d’autre part, de mesurer avec precision la position des vertex secondaires de décroissance des hadrons beaux. Les mésons Bc seront mesurés à grande rapidité en reconstruisant trois muons secondaires avec le spectromètre à muons et le MFT d’ALICE.
Dans un premier temps, le candidat contribuera à l’optimisation et l’evaluation des performances des algorithmes de matching entre le spectromètre à muons et le MFT, et de reconstruction des vertex secondaires. Dans un deuxième temps, le candidat étudiera le aux de production des mésons Bc dans les collisions Pb-Pb. Finalement, les résultats seront comparés à d’autres mesures expérimentales et à divers calculs théoriques.
Ce travail inclut la familiarisation de l’étudiant avec les outils de travail de la grille de calcul ainsi qu’avec les nouveaux codes de simulation, reconstruction et analyse de la collaboration ALICE.

Dans les expériences de physique des hautes énergies actuelles et futures (jouvence des grands détecteurs auprès du LHC et expériences sur les futurs collisionneurs), la granularité des détecteurs de particules continue d’augmenter et l’utilisation de circuits intégrés submicroniques multicanaux est devenue un standard.

Cette granularité a été particulièrement poussée dans le domaine des détecteurs de traces pixelisés en technologie “Monolithic Active Pixel Sensor” (MAPS) où la taille des pixels peut être de seulement 10 x 10 µm2. Ces petits pixels permettent d’atteindre des résolutions spatiales record ou daméliorer grandement la résistance aux radiations du détecteur de trace, au prix d’une très grande quantité des données produite. Cette grande quantité de données est acceptable là où la résolution spatiale doit être maximale mais peut être rédhibitoire quand cela n’est pas nécessaire ou que les contraintes d’espace et de consommation imposent de limiter le nombre de liens rapides de lecture.

Chaque expérience nécessite donc à chaque fois de redéfinir le couple taille de pixel - architecture de l’électronique de lecture intégrée au détecteur pour s’ajuster aux exigences de taux d’occupation de chaque expérience de physique et des possibilités de relecture des détecteurs.

Une innovation majeure dans le développement des détecteurs pixélisés pour la physique des particules est de décorréler la matrice de détection de pixels du débit des données envoyées.

Au sein d’une équipe développant des MAPS depuis 1999, l’objectif pour la thèse est d’étudier dans un premier temps l’architecture existante des détecteurs de traces afin d’en comprendre les limitations en termes notamment de tenue aux radiations. Dans un deuxième temps, la thèse se focalisera sur les options de regroupement d’information, d’évaluer selon ces options l’impact sur la réduction de données mais aussi sur la perte d’information induite.

Cette réflexion sera soutenue par la conception de larchitecture d’un système sur puce incluant loptimisation d’une matrice de pixels et le traitement numérique, validant dans un circuit intégré le travail réalisé.

Pour ce faire, cette thèse visera spécifiquement une des grandes expériences au Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) : le détecteur « Upstream Tracker » pour l’Expérience du LHC sur le quark beauté (LHCb).

L’accélérateur linéaire de SPIRAL2 est un accélérateur optimisé pour les ions légers (protons, deutons), mais il permettra également de délivrer des ions plus lourds (O,Ne,Ar,…Ni) notamment pour les recherches associées au spectromètre S3 (Super Séparateur Spectromètre), comme l’étude de nouveaux éléments, les noyaux super-lourds. Le premier objectif est de proposer et d’étudier les méthodes de réglage permettant de régler un faisceau d’ions lourds dans 26 cavités accélératrices indépendantes d’une façon rapide et reproductible.
Le séparateur électromagnétique S3 utilisera les faisceaux du linac pour créer et purifier des ions radioactifs. La complexité de ses aimants supraconducteurs requiert une optimisation de très nombreux paramètres pour réduire les aberrations grâce des corrections hexapolaires et octupolaires.
Les premiers tests de S3 nécessiteront de nombreuses mesures avec faisceau et la mise au point d’un algorithme permettant d’optimiser l’optique pour les 2 modes de fonctionnement. Le deuxième objectif de la thèse est de fournir les outils de calcul au physiciens permettant de préparer leurs expériences et d’ajuster les paramètres du spectromètre lors des expériences.
Le travail de thèse s’appuiera sur des simulations de dynamique faisceaux et sur un travail expérimental nécessitant des mesures avec faisceaux.

Le groupe cibles-sources du GANIL cherche à étendre la gamme de faisceaux d’ions radioactifs ré-accélérés fournis par l’installation SPIRAL1 pour accroitre l’attractivité des installations existantes et futures. Cette thèse propose :
- La production de faisceaux de Fe, Ni, Co en augmentant la température d’opération des ECS (ensemble cible source) actuels.
- La production de faisceaux plus intenses via de nouvelles cibles qu’il sera nécessaire d’étudier, de réaliser et de tester.

Nous proposons d’étudier le caractère magique ou superfluide du noyau de 68Ni par réactions d’ajout et de retrait de neutrons (d,p) et (p,d). Celles-ci vont également permettre d’étudier l’interaction spin-orbite dans ce noyau riche en neutron, pièce essentielle à la compréhension des forces nucléaires et des noyaux magiques. Le 68Ni sera produit à l’aide du spectromètre LISE au GANIL et la trajectoire des noyaux, les rayonnements gamma émis, ainsi que les protons et deutons signant le transfert sont tous détectés.

Comprendre les limites d’existence du noyau, et notamment sa limite en masse, est un des axes de recherche majeurs de la physique nucléaire contemporaine. Dans cette région des noyaux lourds, les actinides déficients en neutrons présentent un intérêt particulier. En effet, des déformations octupolaires (forme de poire) prononcées sont prédites et ont même été observées dans certains noyaux. L’objectif de la thèse est d’étudier ces déformations octupolaires en utilisant le détecteur de nouvelle génération SEASON dont lefficacité de détection et la résolution en énergie sont sans précédent pour ce type dexpérience. La thèse est centrée sur linstallation, le test, la prise de données et lanalyse des données dune expérience qui sera réalisée en 2025 à lUniversité de Jyväskylä. Lors de cette expérience, la réaction de fusion-évaporation induite par proton 232Th(p,X)Y permettra de peupler des actinides déficients en neutrons dont la spectroscopie de décroissance sera ensuite réalisée grâce à SEASON. La thèse seffectuera en cotutelle avec l’Université de Jyväskylä. La thèse se divise en deux parties :
i) une période de 1 an à lUniversité Jyväskylä au cours de laquelle aura lieu lexpérience
ii) les deux années suivantes au CEA Saclay seront dédiées à lanalyse des données et à la préparation du programme expérimental avec SEASON auprès du nouveau dispositif expérimental S3-LEB au GANIL-SPIRAL2

Des développements récents ont montré que le couplage dun détecteur gazeux Micromegas sur un substrat en verre avec une anode transparente et une caméra CCD permet la lecture optique des détecteurs Micromegas avec une résolution spatiale impressionnante. Ce test montre que le détecteur Micromegas en verre est bien adapté à limagerie. Des tests ont été réalisé avec des photons de rayons X faibles permettant une imagerie résolue en énergie ouvrant la voie à différentes applications. Nous nous concentrerons ici, dune part, sur limagerie neutronique pour lexamen non destructif dobjets fortement émetteurs de rayons gamma, tels que le combustible nucléaire fraîchement irradié ou les déchets radioactifs et, dautre part, nous aimerions développer un imageur bêta au niveau cellulaire dans le domaine de létude des médicaments anticancéreux.
Ces deux applications nécessitent des simulations pour optimiser les rendements lumineux, loptimisation du mode de fonctionnement de la caméra et la conception des détecteurs compte tenu des contraintes spécifiques du démantèlement des réacteurs et des applications médicales : résolution spatiale et forte suppression des rayons gamma pour limagerie neutronique et mesures précises du taux et du spectre dénergie pour le bêta. Lacquisition des images sera optimisée pour chaque cas et des algorithmes de traitement dédiés seront développés.

Les réactions anti-(p, n, d, t, 3He, 4He)-noyau sont à la fois riches denseignements et compliquées à étudier. Elles nécessitent, en plus de la connaissance des produits de la réaction antinucléon-nucléon, la prise en compte du milieu nucléaire, avec notamment les interactions dans létat final.
Les réac)ons antiproton-noyau sont/seront utilisées/étudiées notamment à l’anneau décélérateur d’antiprotons (AD) du Cern et à linstalla)on FAIR en Allemagne pour comprendre le comportement de l’antima)ère. Les réactions avec des anti-ions légers (dbar, 3He-bar, par exemple) sont d’un intérêt plus récent, avec notamment lexpérience GAPS (General AntiParticle Spectrometer) qui vise à mesurer les flux de ces particules dans le rayonnement cosmique. L’idée est de mettre en évidence la matière noire, dont ces particules seraient des produits de décroissance, et dont la quantité mesurée pourraient ressortir « facilement » du bruit de fond cosmique.
Récemment les réactions antiproton-noyau ont été ajoutées au code de réactions nucléaires INCL (IntraNuclear Cascade Liège) développé au CEA (Irfu/DPhN) et celui est en cours d’implanta)on dans le code de transport Geant4. L’objectif de la thèse proposée est d’inclure maintenant les réactions anti-(d, t, 3He, 4He)-noyau dans le code INCL.

Le développement de la ligne basse énergie (S3-LEB) ouvre de nouvelles perspectives en physique nucléaire de basse énergie. En effet, S3-LEB est basé sur une technologie totalement novatrice offrant des possibilités uniques en termes de type de noyaux exotiques, d’intensité et d’observables scientifiques. L’objectif de cette thèse de doctorat est de réaliser les premières mesures de spectroscopie laser haute résolution auprès de ce nouvel instrument.

La modélisation des réactions nucléaires fait lobjet daméliorations constantes depuis plusieurs décennies. Cest notamment le cas de notre code de cascade nucléaire INCL. Un projet ANR a été financé pour les quatre prochaines années (2024-2027) afin de travailler sur la question de lestimation des incertitudes et des erreurs. Comme ce code est implanté dans le code de transport de particules Geant4, la prochaine étape est de propager ces incertitudes de INCL à Geant4. Une étude récente sur la propagation des incertitudes, appelée Transport Monte Carlo (TMC), a été réalisée. Cependant, cette étude ne traite que de la propagation des incertitudes liées aux paramètres du modèle, sans tenir compte des biais du modèle (liés aux hypothèses) et de leurs incertitudes, qui sont tous deux en dehors du modèle physique. Par conséquent, la propagation des biais et de leurs incertitudes, qui proviennent des modèles de collision Monte Carlo, est un territoire inexploré. Lobjectif du projet de thèse proposé est donc de développer des méthodes pour ce type de propagation et détudier le fonctionnement et les caractéristiques de ces méthodes dans des scénarios schématiques. Limplémentation complète des méthodes développées dans un code de transport, tel que GEANT4, ne fait pas partie du champ dapplication principal de la thèse, mais cela pourrait être possible si le temps le permet.

La désexcitation nucléaire en deux photons, c.à.d. la décroissance par émission de deux rayons gamma, est un mode de désexcitation rare du noyau atomique, au cours duquel un noyau excité émet deux rayons gamma simultanément pour revenir à l’état fondamental. Les noyaux pair-pair ayant un premier état excité 0+ sont des cas favorables pour rechercher la décroissance double gamma puisque l’émission d’un seul rayon gamma est strictement interdite pour les transitions 0+ - 0+ par conservation du moment angulaire. Cette décroissance présente toujours un très petit rapport d’embranchement (1E-4) en comparaison avec les autres modes de désexcitation possibles, soit par l’émission d’électrons de conversion interne (ICE) soit la création de paires positron-électron (e+-e-) (IPC). Nous utiliserons donc une nouvelle technique pour rechercher la décroissance double gamma: l’étude de la désexcitation d’un état isomérique 0+ de basse énergie dans les ions nus, c.-à-d. entièrement épluchés de leurs électrons atomiques. L’idée de base de l’expérience est de produire, sélectionner et stocker les noyaux dans leur état isomérique 0+ dans l’anneau de stockage de l’installation GSI en Allemagne. Lorsque le noyau est entouré du cortège électronique l’état 0+ excité est un état isomérique à durée de vie assez courte, de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de nanosecondes. Toutefois, aux énergies relativistes disponibles à GSI, tous les ions sont entièrement épluchés de leurs électrons atomiques et la désexcitation par ICE n’est donc pas possible. Si l’état d’intérêt est situé en dessous du seuil de création de paires, le processus IPC n’est pas possible non plus. Par conséquent, les noyaux nus sont piégés dans un état isomérique de longue durée de vie, qui ne peut se désintégrer que par émission de deux rayons gamma vers l’état fondamental. La désexcitation de l’isomère serait identifiée par spectroscopie de masse Schottky (SMS) à résolution temporelle. Cette méthode permet de distinguer l’isomère de l’état fondamental par la (très légère) différence de leur temps de révolution dans l’ESR, et d’observer la disparition du pic de l’isomère dans le spectre de masse avec un temps de décroissance caractéristique. Après une première expérience réussie qui a fait preuve de la décroissance double gamma dans lisotope 72Ge une nouvelle expérience a été accepté par le comité d’expériences de GSI et son réalisation est prévu en 2024.

Les noyaux faiblement liés ou résonnants jouent un rôle important dans divers processus stellaires de nucléosynthèse. La compréhension globale de ces noyaux nécessite une description correcte du continuum multiparticulaire. Il est proposé détudier des réactions complexes dintérêt astrophysique et des résonances étroites proches du seuil qui jouent un rôle crucial dans la nucléosynthèse déléments plus lourds, en utilisant le modèle Gamow Shell dans la représentation des canaux couplés.

Le sujet de la thèse porte sur létude expérimentale des propriétés macroscopiques et microscopiques du noyau du 96Zr. Récemment, l’observation d’un état déformé dans ce noyau magique a été explique par les calculs de la structure nucléaire en termes dune réorganisation des couches nucléaires en fonction de leur remplissage par les protons et les neutrons. Selon ces calculs sophistiquées, le noyau du 96Zr présente une variété de formes ellipsoïdales à une faible énergie dexcitation, et il peut également prendre la forme de poire.
Nous étudierons ces formes variées en utilisant la puissante technique dexcitation coulombienne, qui est la méthode la plus directe pour déterminer la forme des noyaux dans leurs états excités. Lexpérience sera réalisée à laide dAGATA, un spectromètre gamma de nouvelle génération, constitué dun grand nombre de cristaux de germanium finement segmentés, qui permet didentifier chaque point dinteraction dun rayon gamma a l’intérieur du détecteur puis, à laide du concept innovant du «gamma-ray tracking », permet de reconstruire les énergies de tous les rayons gamma émis et leurs angles démission avec une précision sans précédent. Une expérience complémentaire sera réalisée à TRIUMF (Vancouver, Canada) en utilisant le spectromètre le plus avancé au monde dédié aux mesures de désintégration bêta, appelé GRIFFIN. Ce projet fait partie dun vaste programme expérimental de notre groupe sur lévolution des formes de noyaux et leur coexistence.

Nées chaudes de lexplosion de supernovae, les couches extérieures (l’écorce) des étoiles à neutrons (EN) sont initialement constituées dun milieu composé de diverses espèces nucléaires. Une étude théorique de l’écorce de l’EN à température finie sera effectuée, focalisée sur le traitement des noyaux dans le milieu dense de l’écorce. Ce modèle sera employé pour calculer l’équation d’état et la composition de l’écorce, et utilisé pour prédire des propriétés nécessaires pour la modélisation globale d’EN.

Le but de cette thèse est détudier le clustering alpha dans les isotopes doxygène riches en neutrons afin dobtenir des informations sur leurs propriétés structurelles mais aussi sur lévolution de la probabilité de clustering alpha avec lépaisseur de la peau de neutron. Pour atteindre cet objectif, nous utiliserons des faisceaux de 16O, 18O et 20O à 10.7 MeV/nucleon pour peupler les états non liés via des collisions inélastiques profondes. La désintégration des particules chargées des états résonnants sera mesurée avec les détecteurs FAZIA et INDRA pour reconstruire les masses invariantes.
Des configurations de clusters ont été observées par des états non liés se désintégrant en particules chargées dans 18O, 14C’alpha [9] et dans 20O, 14C’6He et 16C’alpha. Cependant, les rapports de branchement alpha nont été obtenus que pour 18O [11, 12]. Lexcellente résolution énergétique et isotopique du détecteur FAZIA, ainsi que sa capacité de détection à multi-particules, nous permettront didentifier sans ambiguïté la désintégration en 14C’6He et en 16C’alpha à partir de 20O, et de déterminer avec précision les rapports de branchement alpha correspondants. Dautres états résonants se désintégrant en deux ou plusieurs particules chargées seront également mesurés et étudiés.