Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

La protonthérapie permet un contraste de dose élevé entre la tumeur et les tissus sains. Pourtant, les incertitudes sur les doses planifiées et mesurées pour les champs de moins de 3 × 3 cm² ne permettent pas un traitement optimal des petites tumeurs. Pour lever cette limitation, un système de contrôle dosimétrique à 3 dimensions a été développé. L’objectif de cette thèse sera d’accroitre les performances de ce système grâce à une nouvelle méthode de reconstruction des cartes de dose.

La synthèse des noyaux superlourds est un objectif majeur de la Physique Nucléaire moderne qui dépend de leur identification en masse et en charge. Les instruments S3 et SIRIUS installés au GANIL-SPIRAL2 permettent de séparer les isotopes superlourds et vont être équipés de détecteurs de rayons-X pour l’indentification en Z. La doctorante ou le doctorant développera des détecteurs de rayons-X pour SIRIUS et les utilisera pour étudier les noyaux superlourds. Elle ou il travaillera au GANIL et dans des laboratoires internationaux comme ANL ou le FLNR-JINR.

Les sursauts gamma cosmiques (Gamma-Ray Bursts an anglais, GRBs) sont des courtes et intenses bouffées de rayons gamma qui apparaissent de façon aléatoire sur toute la voûte céleste. Les rayons gamma (et l'émission rémanente observée aux autres longueurs d'onde) sont associés avec l'émission due aux particules accélérées dans des ondes de choc d'un flux de plasma collimaté (jet). Ces jets sont la conséquence du collapse d'un étoile très massive (50 fois la masse du Soleil) ou de la fusion de deux objets compacts (par exemple deux étoiles à neutrons).

SVOM (Space based Variable astronomical Object Monitor) est une mission franco-chinoise développée en collaboration par l'agence spatial française (CNES) l'académie des sciences chinoise (CAS) et l'agence spatiale chinoise (CNSA), ave un lancement prévu début 2023.

SVOM aura à bord quatre instruments, dont MXT (Microchannel X-ray Telescope), un télescope X focalisant, avec un champ de vue de 1°x1°, sensible dans la bande 0.2-10 keV. Le.a doctorant.e fera partie de l'équipe scientifique de MXT et aura la tâche d'analyser les donnée MXT (et les donnée multi longueur d'onde associées) dés la début de la mission, pour bâtir une vision phénoménologique des sursauts de SVOM avec le but d'investiguer la nature des progénituers et de comprendre les processus d'émission associés aux données observées.

La fission nucléaire est un phénomène complexe au cours duquel un noyau lourd se déforme jusqu'à ce qu'il se scinde en deux noyaux plus légers. Au GANIL, la combinaison unique du spectromètre VAMOS, du nouveau multi détecteur PISTA, permet une mesure directe et complète des rendements de fragments de fission. Ces mesures mettent en évidence les mécanismes qui régissent la fission et fournissent des données pertinentes pour les réacteurs nucléaires de nouvelle génération. Ce sujet de thèse consiste en l’étude des modes de fission à proximité de l’238U et du 208Pb avec VAMOS et PISTA

SPIRAL2 est un accélérateur linéaire d’ions lourds délivrant des faisceaux d’ions lourds des plus intenses au monde. Son cœur, un accélérateur linéaire supraconducteur (LINAC), est constitué de cavités résonnantes refroidies à -269ºC. L’opération de SPIRAL2 pose des défis complexes dont certaines ne dépendent pas uniquement du faisceau mais aussi d’utilités comme la cryogénie et la radiofréquence. En 2009, une collaboration entre le GANIL et le CEA a permis de construire un modèle thermodynamique du LINAC SPIRAL2 conduisant un contrôle optimisé à base de modèle et ouvrant la voie à l’utilisation d’observateurs virtuels pour le diagnostic avancé. Cependant, dans un LINAC tel que SPIRAL2, les dynamiques des systèmes cryogénique et radiofréquence sont couplées. Ceci conduit inexorablement vers la prochaine étape : le développement du pendant radiofréquence du modèle thermodynamique du LINAC. L’autre objectif de la thèse est l’exploitation des données accélérateur pour le développement de méthodes avancées de détection de défauts. Ces méthodes s’appuieront sur des algorithmes d’apprentissage intelligent adaptés.

Le projet MORA recherche des signes de violation de CP dans la désintégration ’ d’ions piégés polarisés. Il combine des techniques de pointe afin d’atteindre une sensibilité jamais atteinte pour la mesure de la corrélation D (<10-4). Cette corrélation est sensible à une Nouvelle Physique qui pourrait expliquer l’asymétrie matière antimatière observée dans l’univers. La thèse consiste en l’analyse des premières expériences à Jyväskylä, en Finlande.

Le projet de thèse consiste en l’analyse des données de la première expérience du projet New JEDI, qui aura lieu début 2022 sur Orsay. Il vise à apporter une explication alternative au fonctionnement de l’Univers : vérifier l’existence d’une interaction supplémentaire entre la matière ordinaire et des particules hypothétiques constitutives des secteurs noirs de l’Univers. La particule permettant cette interaction est appelée Dark Boson. L’expérience permettra concrètement de vérifier l’existence ou non d’un boson de quelques MeV de masse et de le caractériser le cas échéant.

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 d'étudier des réactions complexes d'intérêt astrophysique et des résonances étroites proches du seuil qui jouent un rôle crucial dans la nucléosynthèse d'éléments plus lourds, en utilisant le modèle Gamow Shell dans la représentation des canaux couplés.

La fission des actinides est un processus complexe déterminé par la structure et la dynamique nucléaires.

Expérimentalement, l’identification complète des fragments de fission est un défi à relever. Le spectromètre FALSTAFF offre cette opportunité.

Le sujet de thèse concerne l’étude de la fission des actinides en cinématique inverse auprès des spectromètres FALSTAFF et VAMOS++. Son objectif est la caractérisation de FALSTAFF, la détermination des rendements isotopiques des fragments de fission et de la configuration au point de scission.

Au cours des deux dernières années, les télescopes IACT (Imaging Air Cherenkov Telescopes) H.E.S.S. et MAGIC ont pu détecter des émissions de rayons gamma de très haute énergie provenant de sursauts gamma (GRBs). Ces résultats révolutionnaires ont relancé les discussions sur les mécanismes d'accélération et d'émission de particules que l'on peut trouver dans ces explosions violentes [1].

En complément des détections de GRBs via les satellites à rayons X, la détection des ondes gravitationnelles permet de fournir des informations nouveaux et complémentaires sur la phase de pré-explosion: les conditions initiales, la géométrie du système, et bien plus encore. Le projet de thèse proposé exploitera les possibilités passionnantes données en combinant la détection des ondes gravitationnelles et la détection du GRB résultant par les observatoires de rayons gamma de très haute énergie dans des observations et des analyses véritablement multi-messagers.

Le cœur du projet proposé sera H.E.S.S., actuellement l'instrument gamma le plus sensible au monde, et CTA, l'observatoire mondial de rayons gamma de haute énergie de nouvelle génération. Nous collaborerons également étroitement avec des partenaires du monde entier, dont évidemment l'instrument d'ondes gravitationnelles Advanced VIRGO, le satellite SVOM pour détecter les GRBs, divers radiotélescopes en Australie et en Afrique du Sud, des observatoires optiques, et bien d'autres encore. Le groupe de l'IRFU, CEA Paris-Saclay, dirige les observations des phénomènes transitoires par H.E.S.S. et CTA et possède d'une longue expérience avec ces observations difficiles. Le groupe est également à l'origine de changements et de modernisations de la communication dans la communauté des astroparticules (par exemple via l'application web/smartphone Astro-COLIBRI, voir: https://astro-colibri.com [2]).

Le/la doctorant(e) aura d'abord l'occasion de participer au développement et à l'amélioration des algorithmes qui permet d'optimiser les observations de suivi des phénomènes transitoires astrophysiques. Certains des événements les plus intéressants ne sont détectés qu'avec de grandes incertitudes de localisation (en particulier les ondes gravitationnelles, mais aussi les GRBs, les neutrinos etc.). Nous avons donc besoin d'outils et d'algorithmes spécialisés qui permettent d'orienter les instruments de suivi comme H.E.S.S. dans la bonne direction pour capter rapidement l'émission associée [3]. Une période d'observation cruciale par les interféromètres OG (appelée O4) est prévue pour la fin de l'année 2022. Cette période correspond parfaitement au projet de doctorat présenté ici, car l'étudiant(e) sélectionné(e) aura l'occasion de diriger les observations de suivi de H.E.S.S. et de CTA/LST-1 à la recherche de GRBs et d'autres contreparties gamma aux OGs détectés par LIGO/VIRGO/KAGRA pendant cette période. Une quantité importante de temps d'observation avec les télescopes de H.E.S.S. et CTA/SLT-1 a été réservée pour ces recherches passionnantes. Nous aurons donc de nombreuses occasions d'optimiser nos procédures de suivi, beaucoup de données à analyser, des résultats à présenter lors de conférences internationales et des articles à publier.



Le cœur du projet de thèse proposé sera la recherche en temps réel d'une émission gamma transitoire de haute énergie liée à la détection d'une onde gravitationnelle (et d'autres transitoires astrophysiques multi-messagers comme les neutrinos de haute énergie, les sursauts gamma, les sursauts radio rapides, les explosions stellaires/nova, etc.). Les observations combinées prouveront sans équivoque l'existence d'un accélérateur de rayons cosmiques de haute énergie lié à ces phénomènes multi-messagers violents et permettront d'obtenir de nouvelles informations sur les explosions les plus violentes de l'univers.



References:

[1] H.E.S.S. Collaboration: “Revealing x-ray and gamma ray temporal and spectral similarities in the GRB 190829A afterglow, Science, Vol. 372 (2021);

[3] P. Reichherzer, F. Schüssler, et al. : “Astro-COLIBRI-The COincidence LIBrary for Real-time Inquiry for Multimessenger Astrophysics”, ApJS 256 (2021);

[2] H. Ashkar, F. Schüssler, et al. : “The H.E.S.S. gravitational wave rapid follow-up program”, JCAP 03 (2021);

La thèse se concentrera sur l'analyse et l'interprétation des observations menées dans la region de centre de la Voie Lactée avec l'observatoire H.E.S.S. depuis plus de 15 ans. La première partie du travail sera dédiée à l'analyse bas-niveau desdonnées du Centre Galctique et à l'étude des incertitudes systématiques dans ce jeu de données massifs. Dans une seconde partie, l'étudiant(e) combinera les données de la phase I et de la phase 2 de H.E.S.S. pour rechercher un signal de matière noire à l'aide de techniques d'analyse utilisant des patrons pour le signal et le bruit de fonds. La troisième partie portera sur le développement d'une nouvelle méthode d'analyse utilisant les réseaux de neurones Bayesiens et son implémentation dans le contexte de la recherche de matière noire et sources variables dans la region du Centre Galactique. L'étudiant(e) sera impliqué(e) dans la prise de données et la sélection des observations H.E.S.S.

Le but de cette thèse est d’améliorer la compréhension de l’activité magnétique des étoiles de type solaire en utilisant le Soleil comme référence.

Les étoiles dites de type solaire comme le soleil ont une couche convective externe. L’interaction des mouvements convectives avec la rotation et le champ magnétique des étoiles est à l’origine de l’apparition d’une dynamo qui est responsable des cycles d’activité magnétique avec des périodes de forte activité alternées par d’autres moins actives. Cette activité magnétique est très importante pour comprendre le développent et l’établissement de la vie comme on la connait sur Terre ainsi que pour pouvoir améliorer la détectabilité des planètes autour des étoiles actives.

Les spectro-imageurs en rayons-X permettent de mesurer la position, l’énergie et le temps

d’arrivée pour chaque photon incident. Cette liste de photons permet de créer des cubes de données (X, Y,

Energie) où un spectre est accessible pour chaque pixel de l’image. En dépit de la richesse des archives en

rayons X et du bond en performance des missions à venir, nos méthodes d’analyses n’ont que trop peu

évolué dans les dernières décennies et ne peuvent extraire la richesse d’informations scientifiques contenue

dans ces données.

Ce projet s’intéressera en particulier aux méthodes de traitement du signal pour la cartographie des

paramètres physiques (ex: température, métallicité, redshift et vitesse du plasma) dans les sources étendues

telles que les vestiges de supernova (voir Figure 1) ou les amas de galaxies. Cela consiste à obtenir pour

chaque pixel ou groupe de pixels, une série de paramètres physiques à partir de leur information spectrale, du principe de parcimonie et de machine Learning.

Les méthodes classiques d’ajustement spectral d’un cube de données sont lentes et bruitées, un facteur

limitant l’analyse des données à très haute résolution spectrale des satellites à venir XRISM en 2023 et

Athena X-IFU en 2034.

Le champ magnétique intergalactique qui baigne les vides cosmiques est très probablement une relique des premiers instants de l’Univers. Le but de cette thèse est de chercher les signatures de ce champ dans les observations de sursauts gamma à très haute énergie, et notamment de prédire les capacités du futur observatoire CTA à contraindre ses propriétés. Il s’agit d’un travail qui mêle étroitement modélisation théorique et analyse de données simulées de CTA.

Le télescope spatial James Webb (JWST) va révolutionner notre compréhension de l’évolution des galaxies à l’époque dite du « midi cosmique ». Grâce à sa résolution angulaire inégalée dans la fenêtre du proche et du moyen infrarouge, il mesurera les distributions d’étoiles et de la formation d'étoiles obscurcies par la poussière à l'échelle du kpc, et révélera la présence en leur centre la présence de trous noirs supermassifs actifs et obscurcis par la poussière.

Dans le scénario jusqu’à présent favorisé pour expliquer l'évolution des galaxies et, en particulier, la transformation morphologique des spirales en elliptiques, ce sont les fusions de galaxies qui détruisent les disques et engendrent les sphéroïdes. Cependant, des observations récentes de notre équipe ont révélé la présence de noyaux compacts de formation d'étoiles dans des galaxies lointaines, soutenant un scénario alternatif dans lequel ils ont été construits in situ, de façon lente et non brutale.

Cette thèse aura pour objectif de distinguer ces deux scénarios de formation et de transformation morphologique des galaxies en combinant les images JWST/PRIMER/NIRCam avec des images HST/CANDELS/ACS. Notre équipe aura pour cela accès à deux grands programmes cosmologiques du JWST, CEERS (PI. S.Finkelstein) et PRIMER (PI. J.Dunlop) dont les données devraient arriver dès juin 2022 (ou au plus tard déc.2022). Nous effectuerons une analyse spatialement résolue de la distribution d'énergie spectrale d'environ 1200 galaxies qui permettra, en particulier, de déterminer leur distribution d'étoiles et de formation d'étoiles, informations décisives pour comprendre leur origine et leur évolution.

Cette proposition de doctorat vise à combiner des informations provenant d'études de galaxies telles que la prochaine mission spatiale Euclid et les expériences de fond de micro-ondes cosmiques depuis le sol et l'espace.

Le rayonnement du fond diffus cosmologique s'est révélé être une sonde puissante pour la cosmologie : sa température contiennent des informations sur l'Univers ancien, ainsi que sur la structure rencontrée le long du trajet de la lumière. Les mesures des ballons et des détecteurs au sol ou dans l’espace contribuent à détailler cette image.

Dans le cadre des relevés des galaxies, le satellite de l'ESA Euclid, qui sera lancé en 2023, observera comment les galaxies se sont formées pour étudier la nature de l'énergie noire et de la matière noire.

Le projet de thèse est co-encadré par Valeria Pettorino (CEA/DRF/IRFU/DAp/LCS) et Dr Stéphane Ilic (IJLAB, Orsay). Nous avons identifié trois objectifs principaux :

1. contribuer à l'estimation de l'impact scientifique de la mission spatiale LiteBIRD de la CMB via des prévisions sur la cross-correlation avec les reléves des galaxies;

2. contribuer à la synergie entre les expériences CMB et Euclid;

3. étudier différentes méthodes pour séparer les composants de premier plan et améliorer la reconstruction du signal CMB.

Avec ~5 000 exoplanètes connues (http://exoplanet.eu), il est clair que la diversité observée des exoplanètes est liée à leur histoire. Dans ce contexte, la science des exoplanètes est confrontée à deux questions clés. La première est de savoir comment l'évolution a pu modifier la composition globale des planètes. Cette question est d'actualité, car diverses installations (JWST, date de lancement : décembre 2021 ; ARIEL, lancement en 2028 ; E-ELT : première lumière en 2027) étudieront avec un détail sans précédent les atmosphères des exoplanètes par spectroscopie. La deuxième question est de savoir comment l'évolution a pu façonner la démographie des exoplanètes. Notamment, notre compréhension de la démographie a radicalement changé au cours de la dernière décennie, et continuera à évoluer grâce aux nouvelles découvertes des missions spatiales photométriques (par exemple TESS, PLATO) et aux relevés de vitesse radiale des principaux télescopes au sol.

L'assimilation de ces connaissances empiriques nécessite des modèles motivés physiquement qui relient les propriétés des planètes et de leurs étoiles hôtes tout au long de leur histoire commune. A cette fin, notre projet va construire un traitement sophistiqué du transfert radiatif (RT) pour les exoplanètes proches avec des atmosphères dominées par l'hydrogène ou non. Les modules de transfert radiatif seront mis en œuvre dans les modèles photochimiques et hydrodynamiques de l'équipe afin de mieux comprendre l'évolution temporelle des exoplanètes. Les prédictions aideront à interpréter les contraintes que le JWST établira sur la composition de quelques petites exoplanètes pour lesquelles du temps d'observation a été accordé dans le cadre des programmes GTO+GO.

Les structures observables dans l’Univers à grande échelle (LSS pour Large-Scale Structures) proviennent de la croissance, sous l’effet de la gravitation, de petites fluctuations primordiales de densité créées par l'inflation. La mesure des propriétés statistiques des LSS à très grande échelle ( Gpc) permet d’étudier l’inflation, à des échelles intermédiaires (~100 Mpc) l’énergie noire avec les Oscillations Baryoniques Acoustiques (BAO) et enfin à des échelles plus petites (~10 Mpc), la gravitation avec les distorsions des structures dans l’espace des redshifts (RSD).



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



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



Au cours de sa première année de thèse, l’étudiant participera l'analyse de la première année d'observation de DESI (printemps 2021- printemps 2022). Ensuite il pourra se consacrer à une mesure globale des paramètres cosmologiques qui utilisera simultanément toutes les échelles. La thése se terminera pas l'étude des trois premières années d'observation de DESI.

Les trous noirs actifs au centre des galaxies ou dans les systèmes binaires présentent une émission de haute énergie hautement variable et souvent de type transitoire. Ils seront des cibles prioritaires de la mission SVOM qui mettra en orbite, début 2023, plusieurs instruments X/gamma/optiques dédiés à l’étude des sursauts gamma (GRB) et d’autres sources célestes variables. Nous proposons une étude des phénomènes d’accrétion et éjection dans les trous noirs super-massifs des noyaux actifs des galaxies (AGN), et notamment des Blazars, et des trous noirs de type stellaire, notamment des binaires X galactiques de type transitoires (Novae-X), sur la base des observations du programme générale et du programme ToO de la mission SVOM, programmes en partie sous responsabilité du laboratoire APC. Une attention particulière sera donnée au contexte d’astronomie multi-messager de ces observations, avec la recherche des possibles émissions neutrinos, ondes gravitationnelles et rayons cosmiques associées aux évènements électromagnétiques variables étudiés avec SVOM.

Au cours des 30 dernières années, l‘étude de l’Univers a conduit à l’émergence d’un modèle standard de de la cosmologie basé sur la relativité générale. Dans ce modèle, l’Univers est formé de matière ordinaire, de matière noire et d’une mystérieuse composante appelée « énergie noire », responsable de l’accélération récente de l’expansion de l’Univers. Le grand relevé spectroscopique DESI qui vient de commencer sa campagne d’observations de 5 ans aux Etats-Unis a pour objectif de réaliser une cartographie de la répartition des galaxies dans l’Univers 10 fois plus précise que les relevés existants. La communauté scientifique s’organise pour définir les méthodes d’analyse des données afin d’extraire le maximum d’information de ces relevés et d’entrer ainsi dans l’ère de la cosmologie de précision notamment sur la mesure du taux de croissance des structures. Cette thèse propose l’approche originale d’utiliser la densité de matière à grande échelle pour améliorer sensiblement la précision sur cette mesure, dans le but de renforcer les tests de la relativité générale.

Cette thèse se déroulera à l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers au CEA-Saclay. Le futur doctorant sera intégré au groupe de cosmologie de l'Irfu/DPhP, composé de 10 physiciens et de 4 doctorants. Présent et moteur dans l’expérience DESI, le groupe participe également à Euclid et a eu par le passé une forte contribution dans SNLS, Planck et SDSS (BOSS et eBOSS), toutes expériences organisées en collaborations internationales. Le futur doctorant sera intégré à la collaboration DESI dont il analysera les données et bénéficiera pour ce faire de toute l’expertise du groupe déjà acquise sur BOSS et eBOSS.

Depuis l’échelle des galaxies jusqu’à celle des systèmes planétaires, les étoiles sont les constituants élémentaires de notre Univers. Leur nucléosynthèse et leur dynamique magnéto-rotationnelle conduisent leur évolution et celle de leur environnement. L’unique méthode observationnelle qui permet de sonder leur structure, leur rotation et potentiellement leur magnétismes internes est l’astérosismologie, c’est à dire la science qui étudie les oscillations des étoiles. Durant la dernière décennie, cette discipline a révolutionné notre compréhension de l’évolution, du mélange interne et de la rotation des étoiles ainsi que la caractérisation de leur planète. Pour tirer parti de toutes ses possibilités, il est absolument nécessaire de comprendre les mécanismes d’excitation des oscillations stellaires et d’être capable de prédire leur amplitude. C’est l’objectif clé de ce projet de thèse où l’on se concentrera sur leur excitation stochastique par les régions convectives stellaires turbulentes en prenant en compte de manière cohérente l’action simultanée de la rotation et du magnétisme sur la propagation des ondes et sur la source turbulente les excitant qui est le plus souvent négligée dans l’état de l’art. Ce projet théorique s’inscrit dans la préparation scientifique de la mission M3 de l’ESA PLATO qui sera lancée en 2026 et dans laquelle le CEA est fortement impliqué.

L'objectif de cette thèse est de développer une méthode d'analyse novatrice pour extraire l’information cosmologique du grand relevé spectroscopique de galaxies DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), reposant sur des simulations numériques du relevé et des nouvelles techniques d’apprentissage artificiel et d'inférence statistique, qui ne souffre pas des limitations des analyses standards.



DESI est un spectrographe multi-objets monté sur le télescope Mayall à Kitt Peak, en Arizona, qui permettra la mesure de 35 millions de redshifts de galaxies et de quasars entre 0.05 < z < 3.0, ce qui représente une augmentation de la statistique d'un facteur dix par rapport aux relevés spectroscopiques précédents (par exemple BOSS, eBOSS). Au début de la thèse, la première année de prise de données DESI, correspondant à un cinquième du relevé, sera terminée, constituant ainsi le plus grand catalogue spectroscopique jamais construit. La quantité de données sera multipliée par trois d'ici la fin de la thèse.



Dans cette thèse, nous proposons de travailler sur une approche théoriquement optimale pour extraire l’information cosmologique des relevés de galaxies, en particulier DESI, qui consiste à reproduire la densité de galaxies observée à l'aide de simulations. En pratique, un champ de densité initial aléatoire de matière noire est généré dans une boîte cubique puis est évolué dans le temps suivant les équations de la gravité. Le champ de galaxies est modélisé à partir de celui de matière noire, puis les effets de sélection du relevé sont appliqués. La vraisemblance du champ de densité des galaxies observé étant donné le champ simulé est calculée, et sa valeur est utilisée pour échantillonner les conditions initiales du champ de densité. Ce projet, qui pourrait aboutir aux premières contraintes cosmologiques avec une telle méthode à partir de vraies données, donnera lieu à une ou deux publications premier auteur. Il sera aussi très utile aux analyses standards de DESI.

A growing convergence of research lines point to the first massive structures, like groups and clusters, assembling in the distant Universe as rosetta-stones to try to unveil important unsolved questions in galaxy and structures formation and evolution. This includes understanding the physical processes by which galaxies are fuelled by gas (which allows them to form their stars), by which galaxies change their structures, the role played by galaxy mergers, the feedback with their internal growing black holes, and interactions and the paths through which they eventually stop forming stars.



We propose a PhD project in which the student will participate to this research within a large international consortium that is leading large observational program of distant groups and clusters. Primarily the PhD student will be involved in using data from a recently awarded large program with the NOEMA interferometer that will use 159 hours of observations to discovery (confirm) and study 40 groups and clusters at 2


This thesis will potentially provide a solid formation for the student in many aspects of observational cosmology, from observations at one of the best ground-based telescopes to data analysis and interpretation all the way possibly to modeling, based also on the interests of the students and on results.

La distribution de la matière aux échelles cosmologiques peut être prédite dans le cadre du modèle cosmologique standard. Elle dépend entre autres de la masse absolue des neutrinos (encore inconnue) et des propriétés de la matière noire, dont la nature est un grand mystère scientifique. L'équipe de cosmologie de l'IRFU-DPhP, qui regroupe une dizaine de chercheurs permanents, est fortement impliquée dans le relevé du ciel DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument). DESI est le premier des projets de nouvelle génération dont le but est de cartographier les structures à grande échelle dans l'Univers. Le télescope DESI, situé en Arizona, a commencé ses observations en 2021 et fournira dans les années à venir une carte 3D sans précédent de l'Univers.



Cette thèse propose d'analyser et d'interpréter les observations DESI de la forêt dite Lyman-alpha, qui mesure l'absorption par le milieu intergalactique de la lumière provenant de quasars distants situés à des redshifts z ~ 2 - 4. Les observations Lyman-alpha fournissent la seule mesure de la distribution de la matière à la fois aux "petites" échelles cosmologiques (~megaparsec) et dans l'Univers primitif (10 à 12 milliards d'années, juste 2 milliards d'années après le Big Bang).

Le doctorant participera à l'analyse des données complètes de la forêt Lyman-alpha DESI-Y1 ("Year-1") à Y3. Il/elle améliorera notre compréhension des effets instrumentaux et astrophysiques qui sont cruciaux pour cette mesure. Nous proposons que l'étudiant développe une méthode originale pour reconstruire le spectre de puissance statistique complet à 3D des fluctuations de la matière, à partir des données 1D de la forêt Lyman-alpha. Il/elle utilisera pour cela des techniques de reconstruction tomographique déjà exploitées par le groupe.

Dans une deuxième partie de la thèse, l'étudiant interprétera les données Lyman-alpha pour mesurer les propriétés de la matière noire et des neutrinos. L'intensité et la pente du spectre de puissance Lyman-alpha dépendent notamment de la somme des masses des neutrinos. Elles dépendent également d'autres paramètres cosmologiques, de sorte que pour briser les dégénérescences, les données Lyman-alpha seront combinées aux mesures du fond diffus cosmologique (CMB). Actuellement, la combinaison CMB+Lyman-alpha limite déjà la masse des neutrinos à moins de ~110 milli-eV (la meilleure limite supérieure), alors que la physique des particules nous dit qu'elle devrait être de 60 milli-eV ou plus. En améliorant les mesures et les combinaisons de données, nous espérons donc nous rapprocher d'une première détection. Ce travail sera basé sur des ensembles dédiés de simulations cosmologiques exécutées sur des infrastructures HPC. En fonction de ses affinités, l'étudiant pourra utiliser des algorithmes d'apprentissage automatique pour optimiser l'exploitation de ces simulations afin de déduire des paramètres cosmologiques à partir des données.

L'effet de lentille gravitationnelle faible désigne les distorsions d'image des galaxies à haut redshift dues aux structures d'avant-plan à grande échelle. Cet outil de très haute importance pour la cosmologie sert à cartographier la distribution de la matière noire dans l'Univers. La combinaison des observations de lentille faible avec des échantillonnages de galaxies d'avant-plan nous permet à mesurer la connexion entre matière noire et baryonique dans les galaxies. Cette corrélation croisée est une des piliers majeurs de la cosmologie moderne. C'est un des ingrédients pour tester un nombre des modèles de gravité modifiée dans lesquels les photons et les galaxies subissent de différents potentiels gravitationnels. En plus elle nous permet à mesurer deux des incertitudes astrophysiques les plus importantes pour la cosmologie : l'alignement des galaxies et le biais des galaxies.

Cette thèse a comme but de mesurer la corrélation croisée entre l'effet de lentille gravitationnelle faible et des galaxies, en utilisant les relevés Euclid et DESI. En préparation, des données de lentille faible existantes seront utilisées, provenant du relevé UNIONS qui couvre 3,600 dégrées carrées à ce jour. UNIONS sera corrélé avec des galaxies du relevé spectroscopique BOSS/eBOSS. Ce travail servira à mieux comprendre la connexion matière noire - baryons. Cela améliora les analyses cosmologiques, et aussi approfondira notre connaissance de la formation des galaxies dans leurs environnements de matière noire dans l'Univers primordiale.

Les microquasars sont des systèmes binaires compacts contenant une étoile « normale » et un objet dense (trou noir ou étoile à neutrons). Le potentiel gravitationnel intense de l’objet compact extrait pour ensuite avaler une partie de la matière de l’étoile compagnon via un disque d'accrétion. Cette image est cependant simpliste et le flot interne d'accrétion est bien plus complexe que cela: le disque est source de vents de matière, alors que des jets relativistes dont les liens à l'accrétion sont inconnus (origine de la matière, énergétique et source de leur accélération, causalité avec les états d'accrétion) sont observés notamment en radio. En sus de ces phénomènes, déjà largement incompris, les observations de haute énergies (typiquement en rayons X durs et gamma) ont mis en lumière la présence de composantes

spectrale dont la compréhension est l'une des grandes questions qui sera abordée dans cette thèse. Cette composante a pu être associée au jet dans un cas, mais nos travaux récents ont amené plus de questions que de réponses définitive à ce sujet.

Le projet de thèse se propose donc de s'attaquer à quelques unes des grandes questions relatives aux phénomènes d'accrétion-éjection dans les microquasars via deux approches complémentaires, et en utilisant les données entre 1 et 1000 keV acquises et en cours d'acquisition avec INTEGRAL, et après son lancement fin 2022, les données de suivis du satellite SVOM.



Dans une première approche nous suivrons l’activité et l’évolution des trous noirs galactiques, à commencer par le microquasar GRS 1915+105 pour lequel une campagne de monitoring est menée depuis de nombreuses années et est toujours en cours (campagne approuvée pour l’année 2022). Notre équipe est aussi PI d’observations de suivi des autres trous noirs Galactiques, et a de ce fait accès aux données temps réel, afin de suivre le comportement de ces objets et de réagir en conséquence lors d’événements fortuits via des programmes dits de cibles d’opportunités (ToO) dédiés. Ces travaux, inclus dans une approche multi-longueur d’onde (radio notamment, mais aussi à plus haute énergie avec le réseau CTA) à travers les collaborations au sein du Département d’Astrophysique, permettront, entre autres, de répondre aux questions suivantes : quels sont les liens précis entre l’accrétion et l’éjection et quelle l’interconnexion existe entre les différentes composantes ’

En parallèle, nous accumulerons les données issues de l’archive conséquente d’INTEGRAL, en combinant pour chaque source les observations faites dans un même état spectral. Ici l’aspect dynamique sera ignoré au profit de l’aspect statistique : ce « stacking » permet l’accumulation de bien plus de photons, par là d’obtenir une précision statistique supérieure nécessaire pour mieux contraindre le domaine 200-2000 keV, et d’utiliser les capacités d’INTEGRAL/IBIS en mode polarimètre. L’approche spectroscopique(INTEGRAL et SVOM dans le futur), la modélisation avec différents modèles physiques de ces spectres, le sondage polarimétrique, le tout placé dans un contexte multi-longueur d’onde permettront d’aborder l’origine de la composante au MeV, sa connexion aux états d’accrétion, son éventuel lien aux jet et donc la composition et l’énergétique des jets et/ou de la « couronne ».

Le domaine de longueur d’onde qui s’étend du millimétrique au submillimétrique est le domaine de prédilection pour l’observation de l’univers froid (milieu interstellaire) et de l’univers lointain (fond cosmologique micro-onde, premières galaxies). Suite aux succès des missions spatiales Herschel et Planck, de futurs observatoires spatiaux et terrestres dans ce domaine de longueur d’onde sont à l’étude et s’inscrivent dans les priorités des programmes de la NASA et de l’ESA pour les décennies à venir. Les objectifs scientifiques vont de l’étude de l’univers primordial et de la formation des structures à haut décalage spectral au rôle du champ magnétique pour la structuration du milieu interstellaire et la formation d’étoiles dans notre propre galaxie. L’optimisation des concepts de mission, depuis les performances instrumentales requises jusqu’aux stratégies d’observation et d’analyse de données, nécessite la réalisation de simulations des mesures de ces futures missions. L'objectif de la thèse sera de modéliser ces mesures et de mettre au point un outil de simulation flexible, applicable à différents concepts d’instrument et de mission. Cet outil sera utilisé pour informer les travaux de préparation des missions d’observation à venir dans le domaine millimétrique et sub-millimétrique. Ce travail s’interfacera d'une part avec un modèle d’émission du ciel micro-onde (développé par ailleurs), et avec une étude des caractéristiques et des imperfections de détecteurs développés au DAp pour ces futures missions. Il est aussi prévu une forte interaction avec les groupes de recherche sur le milieu interstellaire et le fond diffus cosmologiques pour saisir les besoins instrumentaux de ces domaines

The formation and evolution of high-redshift massive galaxies is a hotspot in extra-galactic astronomy. In the study of the growth of galaxies it is crucial to investigate both the evolution in the physical scale (i.e., morphology) as well as in stellar mass, with redshfit. A special and important class of high redshift galaxies has been found recently, characterised by high surface density of stellar mass, that is, massive compact galaxies. From observations, there are two different categories for high-redshift compact galaxies: compact star-forming galaxies (cSFGs, also called ‘blue nuggets’), and compact quiescent galaxies (cQGs, also called ‘red nuggets’). Unlike what found in the local universe, massive compact galaxies are ubiquitous during early epochs.



The aim of this thesis, carried out by the candidate at the University of Nanjing, is to understand how compact massive galaxies form and evolve, and what causes the redshift evolution of their number density.



The candidate, Ms. Shiying LU, will pass two years in Saclay funded by a CSC bourse to work at her PhD project in collaboration with E. Daddi's group in LCEG. In this framework she will extend her research with the participation to surveys using the soon-to-be-launched JWST observatory and also explore forming cluster environments.

Les systèmes binaires de trous noirs de masses stellaires, comme ceux couramment détectés depuis 2016 par les interféromètres terrestres LIGO et Virgo, font partie des sources d’ondes gravitationnelles détectables par l’observatoire LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Cet observatoire spatial sera constitué de trois satellites éloignés de 2,5 millions de kilomètres et son lancement est prévu par l’ESA pour 2034. Cet instrument captera en permanence un grand nombre de signaux distincts et caractérisés théoriquement à divers degrés de précision, notamment : systèmes binaires de trous noirs super massifs, systèmes binaires galactiques, et systèmes binaires avec des rapports de masses très élevés.



Ces deux derniers types de sources et les systèmes binaires de trous noirs de masses stellaires partagent la caractéristique d’émettre pendant des durées comparables à celle de la mission LISA. Elles peuvent produire des signaux très divers et l’observation d’un grand nombre d’orbites peut livrer des contraintes fortes sur la physique fondamentale. En particulier des mesures précises de l’excentricité des orbites des systèmes binaires de trous noirs de masses stellaires et de leurs spins devraient permettre de discriminer les différents scénarios de genèse de ces systèmes .



Comme dans toute expérience, les données réelles seront soumises à un certain nombre de bruits et d’artefacts, tels que des périodes d’interruption de prise de données. La prise en compte de ces effets est essentielle pour optimiser le potentiel scientifique de la mission.



Le fil conducteur du travail proposé est une démonstration de capacité scientifique et technique à traiter des données réelles de manière fiable et robuste. La diversité des sources permet différentes études de difficultés graduées mais offrant, chacune, un intérêt opérationnel pour la mission LISA. Les méthodes établies par l’équipe d’accueil pour traiter les systèmes binaires galactiques serviront de base aux travaux consacrés aux autres sources à longue durée d’émission.

1. Implémentation dans l’environnement logiciel de la mission LISA des formes d’ondes associées aux systèmes binaires de trous noirs de masses stellaires prenant en compte leur excentricité. Des calculs issus de plusieurs formalismes sont disponibles et doivent être mis sous une forme permettant précision et rapidité d’exécution.

2. Étude de la détection de tels systèmes avec LISA par le développement d’algorithmes innovants. Cette étape inclut une phase d’évaluation des performances des algorithmes.

3. Détermination des caractéristiques de la source (rapport signal sur bruit, masse, redshift, etc.) permettant la mesure de l’excentricité du système et discussion de l’impact éventuel sur les objectifs scientifiques de LISA.

4. Étude d’impact de périodes d’interruption dans l’acquisition des données (maintenance, instabilités de sous-systèmes, etc.) ou de la présence d’autres sources d’ondes gravitationnelles dans la gamme de fréquences considérées.



Cet ensemble d’activités peut toutefois être amené à évoluer en fonction des avancées théoriques, des progrès des analyses de données LISA et de la publication de nouvelles mesures par les interféromètres terrestres. Toutes ces activités peuvent conduire à des contraintes de dimensionnement de la mission, des outils ou méthodes de traitement des données.



Ce sujet comporte une part significative de traitement du signal et de programmation soignée, mais requiert une bonne compréhension de la physique sous-jacente. Son aspect pluridisciplinaire rend possible l’exploration de nombreux champs en fonction des opportunités scientifiques et de la durée impartie d’une thèse

Les valeurs faibles sont de surprenants résultats des mesures dites « faibles », c’est-à-dire des méthodes non-projectives permettant d’obtenir une information partielle sur un état quantique, sans pour autant provoquer la réduction de la fonction d’onde. Les valeurs faibles se trouvent au cœur de plusieurs paradoxes étudiés dans la littérature depuis les années 1980 (cf. Aharonov et al. PRL 60, 1351, 1988), par exemple le paradoxe de Hardy, le paradoxe du chat de Cheshire, la communication contrefactuelle ou encore la rétrocausalité. Récemment, quelques groupes de recherche ont mis en œuvre des expériences pour prouver la réalité des valeurs faibles. Les implications de cette notion pour les technologies quantiques bénéficient actuellement d’une large discussion impliquant des physiciens et informaticiens ; cependant, les valeurs faibles possèdent aussi une importance conceptuelle et philosophique. Dans cette thèse, le candidat tâchera d’améliorer notre compréhension des notions clefs qui figurent dans les paradoxes liés aux valeurs faibles, notamment de la « valeur » d’une observable, de « système quantique », de « localisation d’une propriété », du « temps de la mesure ». Ce travail visera à mieux structurer et éclairer les fondements de la théorie quantique sur plusieurs plans : philosophique, avec une interrogation sur le réalisme dans les approches opérationnelles ; mathématique, à travers l’application des modèles postquantiques et des théories probabilistes généralisées ; physique, via la formulation de propositions pour de nouvelles protocoles non-classiques de communication ou de cadres expérimentaux susceptibles de confirmer les résultats théoriques. Le candidat rédigera des articles visant la publication dans les revues de physique (PRL, PRA, NJP, Quantum) et/ou de philosophie de la physique (Found. Phys., SHPMP). Les collaborations attendues incluent des groupes en Autriche, Belgique, Royaume-Uni et Israël.

Afin d’augmenter les performances des futurs accélérateurs de particules, des électro-aimants supraconducteurs à haut champ (supérieurs à 16 T) à base de REBCO sont étudiés. Le LEAS du CEA Paris-Saclay a participé à deux projets importants en collaboration avec le CERN et d’autres laboratoires européens (EUCARD et EUCARD2) pour le développement des dipôles très haut champ utilisant des matériaux supraconducteurs dits à haute température critique (SHTc) de seconde génération de type REBCO (RE, pour Rare Earth, étant une terre rare comme l’Yttrium). Le retour d’expérience sur ces deux projets a montré la nécessité d’améliorer la conception et la protection de ces aimants lorsque survient un ‘quench’. En effet l’endommagement est récurrent lors d’une transition résistive ou ‘quench’ (passage de l’état supraconducteur à l’état résistif) à cause d’une augmentation de température très localisée. Une technique innovante de bobinage MI (Métalliquement Isolé) a été utilisée pour la réalisation d’un solénoïde SHTc qui a atteint la valeur record mondial de 32,5 T (dans un aimant résistif générant 18 T) et a survécu à un quench à cette valeur. Ces résultats prometteurs nous poussent à étudier cette solution pour les aimants dipolaires très haut champ (> 16 T) d’accélérateur. La thèse permettra d’adapter les codes de calculs existants pour les solenoides à une géométrie dipôlaire afin de déterminer les meilleurs paramètres de bobinage et d’anticiper les comportements de la bobine finale. Le/la doctorant(e) participera aussi à la conception, à la réalisation et aux tests d’un ou plusieurs prototypes ainsi qu’aux développements technologiques nécessaires.

Afin d’augmenter les performances des futurs accélérateurs de particules, des électro-aimants supraconducteurs à haut champ (supérieurs à 10 T) à base de Nb3Sn sont développés. Le LEAS au CEA Paris-Saclay est impliqué dans plusieurs projets qui consistent à concevoir, fabriquer et tester des démonstrateurs d’aimants supraconducteurs à base de Nb3Sn générant jusqu’à 16 T. Ces forts champs et les forts courant requis (> 10 kA), génèrent de fortes contraintes sur le conducteur. La problématique principale de ces aimants est la sensibilité aux perturbations extérieures : la moindre libération d’énergie peut faire transiter brutalement le supraconducteur vers l’état résistif. Il est possible d’amener le supraconducteur vers un état stable à l’aide d’un « training » qui consiste à réaliser des transitions successives de manière à modifier progressivement les conditions initiales. Pour cela, il faut comprendre et maîtriser l’état de contrainte du supraconducteur. Le/la doctorant(e) mènera le développement et la mise en œuvre d’expériences ayant pour but d’étudier l’impact de la contrainte mécanique sur le training des aimants Nb3Sn. De plus le/la doctorant(e) prendra en charge le développement de modèles éléments finis qui permettront de simuler la phase de training. Ces travaux permettront de mieux comprendre et maitriser les phénomènes afin de repousser les limites des aimants Nb3Sn.

Dans les expériences de physique des hautes énergies actuelles et futures : upgrade des grands détecteurs auprès du LHC et expériences sur les futurs collisionneurs, la granularité des détecteurs de particule continue d’augmenter et l’utilisation de circuits intégrés submicroniques multicanaux est devenu un standard. De plus en plus, les signaux issus des détecteurs devront être numérisés par des circuits de lectures et véhiculés loin de l’expérience par des liens ultra-rapides. Le développement de nouveaux convertisseurs analogique numérique (ADC) rapides et basses consommation fonctionnant dans des environnements souvent extrêmes, en particulier en termes de radiations est un défi. Situés à l’intérieur des détecteurs, les ADC en subissent en effet les contraintes environnementales : variation de température, vieillissement et radiation. La tendance a été jusqu’ici d’essayer de rendre les réponses de ces circuits le plus stables et indépendantes des variations des paramètres environnementaux (T°, dose et temps) et technologiques (variation de process et mismatch). Une autre piste consiste à établir des tables de calibration précises « téléchargeables » dans l’ASIC rendu générique au cours de l’évolution des conditions ou générées automatiquement par l’ASIC.

Notre façon d’observer le ciel à drastiquement changée avec l’émergence de l’astronomie multi-messagés. Dans le but de détecter efficacement les contreparties électromagnétiques des ondes gravitationnelles provenant des objets les plus compacte, nous avons besoin de nouveaux instruments poussant les limitations de sensibilité et de résolution angulaires dans le domaine des rayon X durs pour une détection rapide avec peu de confusion de source.



Pour poursuivre les progrès de l’optique en rayon-X, de nouveau détecteur de forte surface et de faible pas doivent être inventés. Dans un objectif similaire, l’exploration du système solaire, que ce soit pour la météo spatiale ou pour l’exploration lunaire et martienne, bénéficieraient de tels détecteurs miniature X et gamma.



Un tel défi dois tout d’abord être relevé au niveau de l’électronique frontale et de son interconnexion avec son détecteur.



Cette thèse consiste dans le développement d’un nouveau circuit microélectronique (ASIC) s’interconnectant à un détecteur semiconducteur (CdTe ou Si). Ce circuit serait une matrice de 32 x 32 pixels au pas de 250 µm dont chacun des pixel embarquerait une système de lecture de charge complet.

Notre équipe de recherche développe depuis 2011 un nouveau concept de détecteurs hybrides appelés MC2 (Mini CdTe on Chip) s’appuyant sur des technologies 3D de type WDoD (wireless die on die) et devant supporter l’environnement thermomécanique et radiatif d’une mission spatiale. L’ambition est de réaliser des grands plans focaux aux performances inégalées en spectro-imagerie résolue en temps et en polarimétrie, au service des prochaines découvertes de l’astrophysique X et gamma et de la physique des éruptions solaires.



La technologie visée est le nœud 180 nm de XFAB, particulièrement attractif pour des missions spatiales grâce à sa pérennité commerciale et son cout abordable. Cette technologie constitue une alternative viable à l’AMS 350 nm largement utilisée pour les missions spatiales telle que SVOM (ECLAIRS) et Solar Orbiter (STIX). De plus, cette technologie a été rapatriée récemment en France, une perspective intéressante pour l’optimisation de la conception dans les années à venir.



Grâce à deux thèses, notre groupe a conçu deux générations de circuits dans cette technologie, qui ont montrés de très bon résultats, prometteurs pour l’intégration d’une chaîne spectroscopic auto-déclenchée, avec un très faible niveau de bruit dans des pixels de 250 x 250 µm². D’un point de vu système, ces circuits ont aussi montrées la nécessité de développer de nouveau blocs et de revoir en profondeurs les circuits développer pour atteindre des performances bas bruit ultimes.



Ainsi, l’objectif principal de cette thèse est d’apporter de nouvelles solution pour une matrice de pixel de 250 µm de pas, aboutable sur 2 côtés, avec une optimisation modulaire de sa lecture.

Récemment, le développement de liens thermiques passifs à haut rendement attire l'attention pour le refroidissement de dispositifs miniatures et les économies d'énergie. L'un de ces dispositifs est le caloduc pulsé (PHP), construit à partir de tubes capillaires profilés généralement fermés. Grâce au phénomène de changement de phase du fluide, un PHP peut transférer des flux de chaleur de plusieurs dizaines de watts à température ambiante mais aussi à basse température. Aujourd'hui, le fonctionnement dynamique et thermique du PHP n'est pas encore totalement compris en raison de l'absence d'une réelle compréhension fondamentale du mécanisme de couplage de transfert de chaleur et de masse diphasique. Par conséquent, la conception de ces liaisons thermiques repose sur des données expérimentales et des calculs simples. Ce projet vise à développer des outils expérimentaux et numériques pour comprendre les transferts de chaleur et de masse diphasiques capillaires pour ce caloduc et pour développer un petit caloduc pour un système IRM. Un caloduc de petite dimension sera construit et testé au CEA Saclay. La modélisation des transferts de chaleur et de masse du PHP sera développée avec un logiciel libre basé sur la méthode des volumes finis (OpenFoam) à l'Université des Sciences et Technologies de Wroclaw (WUST).

L’analyse par spectrométrie gamma est une technique classique utilisée pour l’identification et la quantification de radionucléides dans une source radioactive dans des applications stratégiques telles que la surveillance aux frontières, le démantèlement, etc. Les méthodes actuelles d’analyse sont fondées sur le démélange spectral, utilisant une bibliothèque de spectres caractéristiques (signatures spectrales), pour chaque radionucléide à identifier. Le cas des mesures de terrain sur des dispositifs portables posent des défis algorithmiques de taille. D’une part, les signatures spectrales sont fixées, limitant fortement la robustesse des algorithmes d’identification à la variabilité des conditions de mesures de terrain ; les phénomènes d’atténuation ou de diffusion autour d’une source radioactive conduisent à de fortes distorsions des spectres mesurés. D’autre part, tant la faible quantité de données disponibles pour caractériser la grande variété des signatures mesurables sur le terrain, que l’utilisation de dispositifs portables requiert le développement d’algorithmes d’apprentissage automatique. L’objectif de la thèse est le développement d’une solution algorithmique combinant des algorithmes rapides avec un modèle d’apprentissage automatique sobre, requérant peu de données d’apprentissage, pour l’estimation conjointe des activités et des signatures spectrales des radionucléides à identifier. Cette solution sera développée de sorte à être implémentée sur un système numérique embarqué sobre en énergie (FPGA). Les travaux de thèse porteront également sur l’évaluation du bilan performances d’analyse (détection et identification) et sobriété énergétique.

Avec l’avènement en astrophysique de télescopes embarquant divers instruments multi/hyperspectraux apportant des modalités de mesures complémentaires, le développement de méthodes de fusion de données adaptées ouvre la voie à une nouvelle approche pour la reconstruction d’images présentant à la fois une haute résolution spectrale et spatial, élément clef pour une exploitation optimale des données fournies par ces instruments. L’objectif de ce projet doctoral est le développement de méthodes de fusion de données permettant la prise en compte de toute la complexité des images multimodales réelles: couverture incomplète des images à analyser, bruits complexes. A cette fin, nous développerons des méthodes inspirées de méthodes récentes en machine learning (algorithm unrolling). Cette approche permettra la construction d’algorithmes hybrides permettant de prendre en compte l’intégralité de la complexité des mesures et l’apprentissage de régularisations apprises adaptées aux données à reconstruire, permettant ainsi un gain significatif de l’interprétabilité et de l’exploitabilité des résultats. Les outils développés seront appliqués et validés à des données simulées réalistes du télescope en X Athena ainsi qu’aux données réelles du télescope XRISM.

Le multipactor est un phénomène parasite qui se produit dans les dispositifs où l'on transmet une onde hyperfréquence sous vide tels que les tubes électroniques à vide pour la microscopie électronique, les cavités résonnantes et les coupleurs pour accélérateurs de particules et les circuits micro-ondes à bord des satellites. Il consiste en une avalanche d'électrons mis en mouvement par un champ radiofréquence qui peut causer, sous certaines conditions, une perturbation des mesures, un endommagement voire la destruction des dispositifs RF. Ce phénomène est directement lié à l’émission d’électrons dit secondaires d’un matériau lorsqu’il est irradié par des électrons. Le rendement de production d’électrons secondaires (SEY) est donc un paramètre crucial si l’on veut réduire fortement le phénomène de multipactor.

Ce projet de thèse a pour but l’étude fondamentale du SEY de films minces synthétisés par Atomic Layer Deposition (ALD). L’ALD est une technique de synthèse de films minces utilisée dans l’industrie microélectronique, photovoltaïque, batteries… qui permet un contrôle inégalé de l’épaisseur et de la composition chimique jusqu’au niveau atomique sur des surfaces complexes. Cette technique de dépôt est donc un outil remarquable pour 1/ étudier séparément et de manière contrôlée l’impact de différents alliages (composition chimique), et de leur épaisseur sur le SEY et 2/ d’appliquer directement ces structures optimisées sur de « vrais » dispositifs RF. Cette thèse se fera en collaboration entre le CEA et l’ONERA. Elle allie à la fois une technique de dépôt éprouvée, des moyens de caractérisations de surface spectroscopique de pointes et des simulations numériques.

Suite à la découverte du boson de Higgs au LHC, la communauté de physique des particules explore et propose de futurs accélérateurs, pour répondre aux questions ouvertes sur les constituants élé-mentaires de l’univers. Une des possibilités étudiées est FCC (Future Circula Collider), un colli-sionneur de 100 km au CERN. La version hadronique de FCC (FCC-hh) semble être la seule solution pour atteindre des domaines d’énergie bien au-delà du LHC, dans un futur relativement proche, donnant un accès direct à de nouvelles particules avec des masses jusqu’à des dizaines de TeV. Les taux de production dans les domaines des masses en deçà du TeV sont sans commune mesure avec la version électronique de FCC, ouvrant la porte à des études de physique de précision. Une première étude de faisabilité n’a montré aucun obstacle majeur pour ces collisionneurs, mais a identifié plusieurs défis spécifiques à la dynamique des faisceaux: une grande circonférence (avec les problèmes de génie civil), une faible emittance géométrique, la stabilité du faisceau avec de forts courants, une énergie de colli-sion et une luminosité sans précédent, une énorme quantité d’énergie emmagasinée dans le faisceau, une grande puissance de rayonnement synchrotron et les mécanismes d’injection. Cette thèse portera sur l’optimisation de la version hadronique du futur collisionneur circulaire face aux imperfections linéaires et non linéaires (i.e. les alignements et qualités de champs des aimants). Un point central sera la comparaison des méthodes actuelles de correction, déjà très avan-cées, à celles émergentes et complémentaires basées sur l’apprentissage automatique. L’application de ces techniques aux accélérateurs est l’un des sujets d’actualité dans le domaine et poursuivi dans le monde entier.

BINGO est un nouveau projet financé par une bourse ERC. Il mettera les bases pour une expérience bolométrique à grande échelle pour la recherche de la désintégration double bêta sans neutrinos avec un indice de bruit de fond d'environ 10-5 coups/(keV kg y) et avec une très haute résolution en énergie dans la région d'intérêt. Ces caractéristiques permettront de rechercher la violation du nombre leptonique avec une sensibilité sans précédent. BINGO est basé sur des bolomètres luminescents pour le rejet du fond dominant de la surface alpha. Il se concentrera sur deux isotopes extrêmement prometteurs - 100Mo et 130Te - qui ont des mérites complémentaires et méritent d'être considérés tous deux pour de futures recherches à grande échelle.

Le projet apportera trois ingrédients originaux à la technologie bien établie des bolomètres hybrides chaleur-lumière : i) la sensibilité du détecteur de lumière sera augmentée d'un ordre de grandeur grâce à l'amplification Neganov-Luke ; ii) un assemblage de détecteur révolutionnaire réduira la contribution totale de la radioactivité de surface d'au moins un ordre de grandeur ; iii) pour la première fois dans un assemblage de macrobolomètres, un écran actif interne, basé sur des scintillateurs ZnWO4 ou BGO ultrapurs avec lecture de la lumière bolométrique, supprimera le fond gamma externe. Dans cette thèse, l'étudiant(e) contribuera à l'assemblage et à l'installation d'un démonstrateur, MINI-BINGO, dans un nouveau cryostat au Laboratoire Souterrain de Modane. Il/elle participera à la prise de données et à leur analyse. Il/elle estimera le rejet final du bruit de fond rendu possible par les performances de la configuration finale du détecteur.

La technologie moderne des détecteurs cryogéniques permet d’atteindre des seuils de détection extrêmement bas, de l’ordre de 10 eV, tout en conservant une masse active significative, de 1 à 100 g. Ce gain de sensibilité ouvre de belles perspectives d’études en physique fondamentale. En effet, la recherche de particules de matière noire de faible masse implique la détection de reculs nucléaires de l’ordre de 100 eV. Cette gamme d’énergie est aussi celle des reculs induits par la diffusion cohérente des neutrinos de réacteurs sur les noyaux. Accéder à ce processus permet de tester le modèle standard à travers un nouveau couplage neutrino-matière. Ce sujet de thèse propose la mise en œuvre d’une méthode innovante pour étudier précisément la réponse des bolomètres dans cette gamme inexplorée des 100 eV. C’est l’objectif du projet CRAB (Calibrated Recoils for Accurate Bolometry) [1]. Celui-ci se développe en collaboration avec l’expérience NUCLEUS [2] qui a pour but la mesure de la diffusion cohérente des neutrinos de réacteur à l’aide de bolomètres en CaWO4. La première application de la méthode CRAB sera réalisée avec ces détecteurs.

Aucune méthode de calibration absolue des bolomètres n’existe actuellement pour cette nouvelle région d’intérêt autour de 100 eV. L’extrapolation des mesures disponibles à l’échelle du keV est problématique, du fait d’une évolution rapide et non-triviale de la répartition des différents modes d’excitation du milieu de détection : phonons, ionisation et scintillation. De plus à si basse énergie, les détails de structure cristalline et la dynamique des créations de défauts deviennent non négligeables. La méthode CRAB est basée sur la capture radiative de neutrons thermiques dans le détecteur cryogénique. Elle donne accès pour la première fois à des reculs nucléaires spécifiques et connus, dans le domaine des 100 eV, et uniformément distribués dans le volume du bolomètre. Plusieurs étapes de R&D et de validation se dérouleront en collaboration avec l’IJCLab d’Orsay et l’université de Munich (TUM). La mesure finale sur un bolomètre de NUCLEUS utilisera le faisceau de neutrons du réacteur TRIGA de Vienne, en collaboration avec l’université TU-Wien. Applicable à d’autres types de bolomètres, cette méthode a potentiellement un fort impact scientifique vers les programmes de diffusion cohérente de neutrinos, de recherche de matière noire légère mais aussi de physique du solide.

Une contribution directe du travail de thèse à l’expérience NUCLEUS sera donc d’étalonner de manière absolue la réponse en énergie des détecteurs en CaWO4 via la mesure CRAB. Cette étude sera un point d’entrée pour les analyses des données NUCLEUS. La priorité sera mise sur l’exploitation du véto muon dont la mise au point a été prise en charge par le DPhN. Ce blindage actif entoure aussi hermétiquement que possible tout le dispositif de mesure avec des panneaux de plastique scintillant dont la lumière est extraite par des fibres optiques connectées à des Silicon-Photomultipliers (SiPM). Il a pour but de signer le passage des rayons cosmiques à proximité des bolomètres, à l’origine du bruit de fond dominant. Le (la) candidat(e) sera responsable de la mise en place d’outils d’analyse des données du véto muon et de leur intégration dans la chaine d’analyse de l’expérience. Ce travail devra dans un premier temps valider les performances intrinsèques de ce détecteur puis il sera étendu vers l’étude des bruits de fond, élément clé de la mesure NUCLEUS. Il s'agira de quantifier le pouvoir de réjection du véto muon et déterminer la nature des bruits résiduels.

Un montage à blanc de l’expérience est prévu en 2022 à Munich pour valider l’ensemble de l’appareillage et le niveau de bruit de fond. La prise de données neutrino devrait commencer en 2023 sur le site EDF, dans un local situé à environ 80 mètres des 2 cœurs de la centrale nucléaire de Chooz, dans les Ardennes. Au final le travail de thèse sera réparti à parts égales entre CRAB et NUCLEUS.

Le projet ENUBET (Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging) vise à construire un faisceau de neutrinos monitoré afin de réduire l'incertitude sur le flux et la section efficace des neutrinos à <1%. Face au taux élevé d'événements attendus dans ENUBET, la résolution temporelle du détecteur est essentiel pour la reconstruction des événements et la diminution du mixage des différents événements. Un échantillonnage des détecteurs sub-ns permettrait une corrélation un à un entre les positrons tagués dans la ligne de faisceau et les neutrinos tagués dans le détecteur lointain, transformant ENUBET en premier "faisceau de neutrinos tagués".



PIMENT est un projet de R&D financé par l'ANR pour développer de nouveaux instruments de détection basés sur le concept PICOSEC-Micromegas et démontrer l'impact de ces détecteurs sur les recherches en Nouvelle Physique. L'exploitation éventuelle de la technologie PICOSEC-Micromegas sera étudiée pour le taguer et les détecteurs de neutrinos de ENUBET.



Dans la cadre de la thèse proposée, le candidat retenu : a) réaliser des études de cas de physique sur l'impact de l'utilisation de la technologie PICOSEC Micromegas dans ENUBET pour différents scénarios : Les micromégas PICOSEC comme couches T0, les micromégas PICOSEC intégrés dans le callorimètre électromagnétique, l'instrumentation du dump hadronique, le tagging temporel dans le callorimètre à argon liquide ; b) participer au développement de prototypes modulaires, multi-voies (~100 de pads) équipés de nouvelles photocathodes à base de carbone avec un yield suffisant de photo-électrons, adaptés aux besoins spécifiques de chaque scénario ; c) étudier les performances temporelles des prototypes avec le laser UV fs au IRAMIS, CEA/Saclay et avec les faisceaux de particules au CERN ; d) évaluer les performances des prototypes en utilisant une nouvelle électronique, basée sur le circuit de lecture SAMPIC.

La découverte de la masse non nulle des neutrinos a ouvert une fenêtre sur une nouvelle physique au-delà du modèle standard. L'étude des oscillations de neutrinos est aujourd’hui un secteur très prometteur pour la recherche de nouveaux phénomènes inattendus. En particulier, l'analyse des oscillations des neutrinos et des anti-neutrinos auprès des expériences T2K et NOVA a fourni les premières indications sur la violation de CP dans le secteur leptonique. Si une violation de la symétrie CP pouvait être observée dans les neutrinos, ce serait une découverte majeure qui pourrait résoudre l'une des questions les plus fondamentales à laquelle la physique s’attache à répondre qui est la prédominance de la matière sur l’antimatière dans l’Univers.



T2K est une expérience sur les neutrinos conçue pour étudier comment les neutrinos passent d'une 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 l'ouest du Japon. Le faisceau est mesuré une fois avant de quitter le site du J-PARC, à l'aide du détecteur proche ND280, et à nouveau à Super-Kamiokande : l'évolution de l'intensité mesurée et de la composition du faisceau est utilisée pour renseigner sur les propriétés des neutrinos.



Les travaux de la thèse proposée se concentreront sur l'installation, la mise en service et l'exploitation scientifique de la chambre de projection temporelle à grand angle (TPC à grand angle). L'objectif de ce nouveau détecteur est d'améliorer les performances du détecteur proche ND280, de mesurer le taux d'interaction des neutrinos et de contraindre les sections efficaces d'interaction des neutrinos afin que l'incertitude sur le nombre d'événements prédits à Super-Kamiokande soit réduite à environ 4% (d’environ 8 % à ce jour). Cela permettra d'améliorer la portée physique du projet T2K-II. Cet objectif est atteint en modifiant la partie amont du détecteur, en ajoutant un nouveau détecteur à scintillateur hautement granulaire (Super-FGD), deux nouvelles TPC et six plans Time Of Flight.



Les nouvelles TPC seront lues par des détecteurs résistifs Micromegas et instrumentées avec une cage de champ compacte et légère. La TPC mesurera la charge ; l'impulsion et les directions des traces produites par les particules chargées et fournira une identification des particules par mesure de dE/dx avec une efficacité et une précision excellentes. Les prototypes de détecteurs des nouvelles TPC ont été testés avec succès en été 2018, 2019 et 2021 sur les faisceaux test du CERN et de DESY, validant les technologies des détecteurs et leurs performances.

Le groupe de l’IRFU est fortement impliqué dans le projet TPC, notamment dans la production et les tests des détecteurs Micromegas. La construction du détecteur est en cours pour une installation au Japon en 2022.



La première partie de la thèse sera consacrée à l'analyse des données de la TPC. L'étudiant contribuera à la mise en service et à la prise de données et à l’analyse des premières données de faisceaux prévues en 2023. Le travail portera sur la caractérisation du détecteur résistif Micromegas. Il s'agit d'un détecteur innovant, qui exploitera pour la première fois la technologie résistive pour améliorer la résolution sur la reconstruction des pistes dans la TPC. Le groupe de l’IRFU a été l'initiateur à la fois de la technologie originale Micromegas et de sa mise en œuvre en version résistive. Une R&D de pointe menée à l'IRFU a conduit aujourd'hui au déploiement d'une telle technologie dans un détecteur réel. Un travail fondateur et sans précédent de compréhension quantitative et de simulation de la propagation de la charge dans le détecteur résistif est en cours.



De nouveaux algorithmes de reconstruction sophistiqués doivent être développés pour profiter pleinement des nouvelles capacités du détecteur. En particulier, les informations temporelles liées aux phénomènes résistifs et encodées dans les formes des signaux doivent être exploitées. En effet, la technologie résistive apporte des performances améliorées mais aussi de nouveaux défis : l'étalement des charges sur plusieurs pads, induit par les phénomènes résistifs, augmentera fortement la multiplicité des signaux à analyser.



Les méthodes d'apprentissage automatique (ML) seront explorées pour effectuer la rejection des bruits de fond et l'identification des particules à l'étape de présélection, ainsi que la reconstruction des traces. Les méthodes d'apprentissage automatique sont connues pour avoir amélioré les performances de nombreuses expériences de physique des neutrinos (SNO, NEXT, NOvA, KamLAND-Zen, EXO-200, MINERvA). Produire des images comme des structures à partir des données des détecteurs permet de bénéficier des capacités de reconnaissance des formes de ces outils et d'améliorer les caractéristiques utiles des données, ils peuvent améliorer non seulement les tâches de classification des événements mais aussi des particules.



Nous proposons dans un premier temps d'appliquer les techniques de ML pour traiter les informations de la TPC. Le temps d'arrivée sur le plan de l'anode résistive donne la coordonnée z perpendiculaire à ce plan (x,y). Un événement dans la TPC est représenté par deux images se projetant sur les plans (x,y) et (y,z), l'échelle de couleur étant la charge du pad pour incorporer l'information sur dE/dx. Cela permettra de traiter les informations de la TPC comme des images et d'utiliser les puissants algorithmes ML utilisés dans l'analyse d'images. Nous prévoyons d'utiliser des implémentations reposant sur des réseaux de neurones convolutifs (CNN) (pour certains, en adaptant l'architecture CNN de GoogLeNet) initialement conçus pour la reconnaissance d'images. Pour réduire significativement le temps d'apprentissage, nous utiliserons des unités de traitement graphique (GPU), qui permettent d'effectuer des opérations de calcul en parallèle. Au niveau de la TPC, nous souhaitons utiliser ces techniques pour l'identification de particules (PID) et éventuellement pour la pour la reconnaissance de formes.



Ensuite, nous prévoyons d'utiliser des techniques ML combinant la TPC et le SFGD central pour l'identification de particules (muon provenant de pion ou de proton) ainsi que pour la classification d'événements. Dans le ND280, le faisceau de neutrinos muoniques interagit principalement via l'interaction quasi-élastique des courants chargés, par exemple (’µ + n ’ p + µ-). Pour l'analyse de l'oscillation, les données sont séparées par la topologie de l'événement dans l'une des trois catégories basées sur le nombre de pions de l'état final (aucun pion, un pion chargé ou un nombre quelconque de pions). Un référentiel sera préparé, qui contiendra les images dans un format adapté à l'entraînement de différents algorithmes ML. Les échantillons définis ci-dessus peuvent être sélectionnés en utilisant les données disponibles, collectées par T2K. D'autres événements chargés feront partie de l'échantillon de fond. Un cadre sera développé pour permettre le test de divers algorithmes de détection et de classification d'objets.



La deuxième partie de la thèse sera consacrée à l'analyse des données T2K des faisceaux des neutrinos, recueillies avec le détecteur amélioré ND280, afin d'extraire une nouvelle mesure, la plus précise possible, des oscillations de neutrinos. Les travaux porteront sur la définition du choix des nouveaux échantillons, l'évaluation des incertitudes systématiques expérimentales correspondantes et la modification du cadre d'analyse pour l'ajustement des paramètres d'oscillation des neutrinos. L'extraction des contraintes du détecteur proche doit être profondément modifiée pour inclure les informations des protons et des neutrons détectés provenant des interactions du neutrino avec les noyaux, qui ne sont pas pris actuellement en compte dans l’analyse.

La thèse s’inscrit dans le cadre de l’expérience GBAR au CERN, qui vise à mesurer l’accélération de la pesanteur terrestre pour des atomes d’antihydrogène ultra-froids. L’étape-clé pour obtenir ces anti-atomes ultra-froids est de produire d’abord des ions positifs d’antihydrogène (deux positons liés à un antiproton, l’équivalent de H-), en utilisant du positronium (état lié électron-positon).

Le sujet de thèse est dédié à l’étude de la réaction d’échange de charge entre un atome d’antihydrogène et un atome de positronium, produisant un ion positif d’antihydrogène. Il s’agit d’une part de mesurer les sections efficaces de cette réaction, en passant par la réaction conjuguée de charge produisant H-, et d’autre part de démontrer et optimiser la production de cet anti-ion. La réalisation de chacun de ces deux objectifs est une avancée majeure : une mesure expérimentale des sections efficaces permettra de tester différents modèles théoriques de collisions atomiques à basse énergie qui sont actuellement en désaccord ; quant à l’ion antihydrogène, nécessaire à GBAR, il ouvrira de nouvelles voies pour les futures études sur l’antimatière.

La thèse se déroulera principalement au CERN. De 2022 à 2024, GBAR recevra du faisceau d’antiprotons et de H- et cette période sera donc consacrée à la préparation et la réalisation des mesures expérimentales. L’année 2025 sera en majorité dédiée au traitement des données et à la rédaction de la thèse.

Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les efforts des expériences LHC sont focalisés sur la recherche de

phénomènes nouveaux, au-delà du Modèle Standard. Un des aspects importants dans la comparaison entre les observations

et la théorie est d’être capable de normaliser aussi précisément que possible les observations par rapport à la théorie,

donc de mesurer aussi précisément que possible la luminosité de l’accélérateur. L’objectif est d’atteindre une précision

meilleure que 1% au cours des prochaines années, ce qui est un facteur deux à trois meilleur que la précision atteinte

actuellement.



Lors du redémarrage du LHC début 2022, il est prévu d’accroître la luminosité de la machine d’un facteur deux environ.

Pour exploiter au mieux cette augmentation de luminosité, le système de déclenchement du calorimètre a été largement revu. Il sera basé sur l’analyse en temps réel des signaux numérisés à la volée.

Une caractéristique importante de ce nouveau système de déclenchement est sa capacité à mesurer pour chaque collision

entre deux paquets de protons l’énergie totale déposée dans le calorimètre. Combiné à la stabilité, l’excellente

linéarité et à l’uniformité de réponse du calorimètre à argon liquide d’ATLAS, le nouveau système de déclenchement offre

le potentiel d’une mesure de la luminosité avec d’excellentes caractéristiques en termes de linéarité et de stabilité.

Une voie très prometteuse est l’utilisation de réseaux de neurones pour analyser les données.



Une autre caractéristique du système de déclenchement est sa capacité unique à garder trace de l’historique des

interactions dans le détecteur sur un temps nettement plus long que ce que peut faire le système de lecture central.

Ceci permettra à terme, pour les prises de données prévues au-delà de 2025 de compenser en temps réel l’effet de la

charge d’espace générée sur la mesure d’énergie du détecteur. Surtout, cette caractéristique ouvre la possibilité de

détecter des particules dont la désintégration survient longtemps (plusieurs dizaines ou centaines de ns, à comparer

aux 25 ns entre deux croisements consécutifs) après leur création, donc lentes et très massives, presque jusqu’à la

limite cinématique de 7 TeV, bien au-dessus de la limite atteignable par des techniques de recherche plus classiques. De

telles particules apparaissent dans de nombreuses classes de modèles supersymétriques.

La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d'imagerie nucléaire largement utilisée en oncologie et en recherche neurobiologique. La désintégration du traceur radioactif émet des positrons, qui s'annihilent en deux photons de 511 keV. Ils permettront par la technologie du temps de vol de reconstruire le point d’annihilation et la distribution de l'activité du traceur dans le corps du patient.

Dans cette thèse, nous proposons de contribuer à un détecteur ambitieux et breveté, basé sur des cristaux Cherenkov/Scintillant. Le premier prototype est en cours de test au laboratoire.

L'appareil utilise des technologies avancées de détection rapide de particules : un cristal scintillateur dense, un photomultiplicateur à galette micro-canaux pour sa première face du cristal, des amplificateurs gigahertz et des modules d'acquisition rapide (WaveCatcher, SAMPIC).

Le doctorant travaillera à choisir les technologies et à réaliser un photo-détecteur mince, de haute résolution temporelle, (quelques dizaines de ps) destiné à instrumenter la seconde face du détecteur. La technologie aujourd’hui privilégiée serait une matrice de SiPM rapides.

Vous testerez les technologies de SiPM disponibles, participerez à la conception de l’assemblage du photodétecteur. Vous participerez aux mesures sur banc de test et sur prototypes et analyserez les données mesurées. Ceci dans le but d’optimiser la résolution temporelle, spatiale et l’efficacité du détecteur. Cela impliquera de nombreuses compétences en instrumentation: photo-détection, électronique rapide (analogique et numérique, à une précision de quelques picosecondes), simulations de détecteurs au moyen des logiciels GEANT4 et GATE.

Supervision

Le candidat retenu travaillera au sein du Département de physique des particules de l'IRFU en étroite collaboration avec le Département des détecteurs, d’électroniques et d’informatique pour la physique. Le groupe CaLIPSO comprend deux physiciens et deux étudiants et deux post-docs. Nous collaborons étroitement avec le CNRS-IJC-labs sur l'électronique de lecture rapide, avec le CPPM de Marseille et le CEA-SHFJ, sur les dispositifs d'imagerie médicale, le CEA-DES sur les algorithmes de reconstruction d'images, et avec l'Université de Munster (Allemagne).

Pré-Requis:

Des connaissances en physique générale, physique de l'interaction particules-matière, de la radioactivité et des principes des détecteurs de particules, ainsi que une vocation pour le travail instrumental, et pour l'analyse de données sont obligatoires. Etre à l'aise en programmation, avoir une formation en simulation Gate/Geant4 et en C++ seront un atout.

Compétences acquises:

Vous acquerrez des compétences en instrumentation de détecteurs de particules, en simulation de détecteurs de rayonnements, en photo-détection, sur la mise en œuvre, et l’exploitation d'électronique de numérisation rapide et en analyse de données.

Axions were introduced as the most promising solution in explaining the absence of Charge-Parity symmetry violation in the strong interaction. These neutral, very light particles, interact so weakly with ordinary matter that they could contribute to the Dark Matter. Axion search techniques rely on their interaction with photons. Helioscopes search for axions produced in the solar core by the conversion of plasma photons into axions giving rise to a solar axion flux at the Earth surface, with energy spectrum at the region 1-10 keV.

The International Axion Observatory (IAXO) will achieve a signal-to-background ratio of about 4-5 orders of magnitude better than most sensitive experiments today. BabyIAXO, an intermediate experimental stage of IAXO, will be hosted at DESY (Germany). BabyIAXO is conceived to test all IAXO subsystems (magnet, optics and detectors) at a relevant scale for the final system and thus serve as prototype for IAXO, but at the same time as a fully-fledged helioscope with relevant physics reach in itself, and with potential for discovery. IAXO and BabyIAXO will be equipped with X-ray optics coupled to low background X-ray detectors. The required levels of background are extremely challenging, a factor 10 better than current levels.

The PhD will work on the X-ray detector development in particular of the new generation of Micromegas detectors. The development will be focused on the optimization of the background level by a multi-approach strategy coming from ground measurements, screening campaigns of components of the detector, underground measurements, background models, in-situ background measurements as well as refinement of rejection algorithms. Physics analysis of BabyIAXO data is expected in the last year of the PhD.

Créé dans les collisions d'ions lourds au LHC (CERN), le plasma de quarks et de gluons (QGP) est un état extrême de la matière dans lequel les constituants des nucléons se trouvent déconfinés durant un temps suffisamment long pour être étudiés.

Parmi les collaborations du CERN, LHCb étudie le QGP à la fois dans les collisions faisceau-faisceau, mais aussi grâce à un programme de cible fixe unique au LHC. Les performances actuelles du détecteur de trajectographie dans les collisions les plus violentes sont limitées, mais plusieurs upgrades sont prévus pour l'horizon 2030.

Le premier objectif de cette thèse est le développement de la trajectographie pour s'assurer des performances optimales lors des prises de données ions-lourds futures. Ces études permettront notamment de définir les paramètres de performance nécessaires pour les sous-détecteurs. De plus, la recherche d'algorithmes alternatifs, basés sur l'intelligence artificielle, sera exploré afin d'optimiser au maximum les performances du détecteur. En parallèle, une composante d'analyse de données est proposée portant sur des données cible fixe.

En particulier, nous proposons de mesurer la production de particules charmées. Unique en terme de cinématique et de gamme d'énergie, ces études des collisions cible fixe avec le détecteur LHCb au LHC permettront de mieux établir les quarks charmés en tant qu'observable sensible au déconfinement.

L'expérience NUCLEUS vise à détecter la diffusion élastique cohérente des neutrinos et des noyaux (CEvNS) à la centrale nucléaire de Chooz à l'aide de détecteurs cryogéniques à l'échelle du gramme à très bas seuil. Cette technologie permettra de miniaturiser les détecteurs de neutrinos et a le potentiel de sonder la physique au-delà du modèle standard de la physique des particules dans une deuxième phase à l'échelle du kilogramme. La compréhension approfondie des données de NUCLEUS sera réalisée par une expérience d'étalonnage dédiée, appelée CRAB, qui aura lieu à proximité du réacteur de recherche Triga à Vienne.

Le doctorat concerne l'analyse des données de la première phase de l'expérience NUCLEUS en intégrant les résultats de l'étalonnage de l’expérience CRAB dans l'analyse NUCLEUS. L'analyse sera effectuée selon les phases expérimentales suivantes : analyse des données de mise en service (TUM, 2022), analyse des données d'assemblage à blanc de NUCLEUS (TUM, 2023), analyse des données de neutrino de NUCLEUS (Chooz, 2024-25) et des données CRAB (Munich et Vienne, 2023-25). Le travail implique au préalable le développement d'une chaîne d'analyse dédiée, basée sur les progiciels CRESST existants, pour intégrer à terme l'analyse des données NUCLEUS et CRAB dans un cadre commun. La première étape de l'analyse implique classiquement un traitement à grande échelle des données brutes sur des clusters d'ordinateurs, y compris le tri sélectif et la reconstruction de l’énergie des dépôts d'énergie. Après cette phase, les données reconstruites nécessitent d'être traitées pour isoler les signaux attendus des divers fonds. En parallèle, les données d'étalonnage (provenant de sources radioactives, de systèmes de diodes électroluminescentes et des résultats du CRAB) et leurs incertitudes doivent être incorporées. Dans l'ensemble, de nouvelles méthodes d'analyse devront être élaborées afin d'exploiter la stratégie NUCLEUS de suppression des fonds (4pi-vetoing). Des possibilités de connexion avec des techniques d'apprentissage automatique de pointe pour améliorer les performances d'analyse seront également explorées et éventuellement mises en œuvre.

Thèse : Tomographie des gluons avec la production exclusive de mésons vecteurs

La compréhension de l'origine de la masse, du spin et de la structure des nucléons (c'est-à-dire des protons et des neutrons) à partir de leurs constituants élémentaires (quarks et gluons, collectivement appelés partons) fait partie des questions sans réponse de la physique des particules. Le cadre théorique des distributions généralisées de partons (GPD) code la structure tridimensionnelle d'un nucléon et son étude fournira des indications sur l'origine des propriétés fondamentales des protons et des neutrons.

Expérimentalement, la méthode la plus propre pour étudier la structure interne des nucléons est de les collisioner avec des électrons à haute énergie. Des chercheurs du CEA/Irfu sont porte-paroles des expériences en cours au Jefferson Lab (JLab) aux États-Unis, où un faisceau d'électrons à courant élevé d'une énergie allant jusqu'à 11 GeV entre en collision avec des cibles fixes de plusieurs types; Ils sont aussi porte-parole des futures expériences au Collisionneur d'électrons et d'ions (EIC), l'énergie dans le centre de masse du système électron-proton atteindra 140 GeV. Les luminosités élevées disponibles au JLab et au futur EIC permettent d'étudier les propriétés des nucléons avec une grande précision statistique, notamment par le biais de processus rares.

Contrairement aux attentes naïves, il a été démontré que ce ne sont pas les quarks, mais plutôt les gluons qui contribuent le plus à la masse et au spin des nucléons. Il est donc crucial de caractériser précisément la distribution des gluons afin de comprendre pleinement les propriétés des nucléons. En particulier, les connaissances actuelles sur les GPD des gluons sont plutôt limitées. Les GPD sont accessibles par l'étude de processus exclusifs où toutes les particules de l'état final sont détectées, et plus spécifiquement, la production exclusive de mésons vecteurs tels que les mésons rho, phi et omega est particulièrement sensible aux GPDs de gluons.

Le but de cette thèse sera d'analyser les données prises avec l'expérience CLAS12 au JLab en se concentrant sur les mesures de la production de mésons exclusifs. Étant donné la taille importante des ensembles de données, l'étudiant aura l'occasion de développer et d'appliquer des algorithmes d'intelligence artificielle pour améliorer la reconstruction et la sélection des événements. Des études approfondies sur des données simulées seront nécessaires pour comprendre pleinement les données, pour implémenter et optimiser les algorithmes de sélection des évènements et pour maîtriser les éventuelles incertitudes systématiques. A partir de l'expérience acquise par l'analyse des données CLAS12, le candidat participera également aux études de simulation pour la faisabilité et l'optimisation des futurs détecteurs de l'EIC pour l'électro-production exclusive de mésons vecteurs à hautes énergies.

La thèse sera réalisée au sein du Laboratoire de Structure des Nucléons du Département de Physique Nucléaire du CEA/Irfu. Le laboratoire est composé à la fois d'expérimentateurs et de théoriciens : les interactions fréquentes rendent l'environnement de travail très enrichissant.

Des connaissances en physique des particules et en informatique permettraient au candidat de participer rapidement et activement à l'effort d'analyse des données. Des connaissances de base sur les détecteurs de particules seraient également un avantage pour comprendre efficacement le dispositif expérimental utilisé pour la collecte des données.

L'étudiant aura également l'occasion de collaborer avec plusieurs chercheurs tant au niveau local (comme l'IJCLab à Orsay et le CPHT à l'École Polytechnique) qu'international. L'étudiant fera partie de la collaboration CLAS et rejoindra également le groupe d'utilisateurs de l'EIC, nécessitant des voyages fréquents aux USA pour la prise de données et des conférences. L'étudiant aura l'opportunité de présenter le résultat de ses recherches lors de conférences inter nationales.

L'étude des oscillations de neutrinos est entrée dans l'ère de la précision avec les expériences actuelles auprès d'accélérateurs, comme T2K. Dans ces expériences, les oscillations des neutrinos sont mesurées en comparant le taux et les spectres des neutrinos dans des détecteurs proches, placés à proximité de la source, et dans des détecteurs éloignés, placés à des centaines de kilomètres. T2K a publié en 2020 en couverture de la revue Nature les premiers indices excitants d’une violation de la charge-parité dans le secteur des leptons.

Le travail proposé pour cette thèse consiste en l'analyse des nouvelles données qui seront collectées par T2K avec un détecteur proche amélioré nécessitant de mettre en place une nouvelle stratégie d'analyse. En particulier, pour la première fois, la mesure des protons et neutrons produits par les interactions des neutrinos sera exploitée. De nouveaux modèles d'interactions neutrino-noyaux seront nécessaires pour utiliser ces informations supplémentaires : le groupe proposant cette thèse possède une expertise approfondie dans ce domaine.

Un autre point abordé dans la thèse est l'extrapolation des résultats obtenus aux mesures futures à haute statistique et aux combinaisons multi-expériences. L'étude des incertitudes systématiques les plus pertinentes aura un impact direct sur la conception des expériences de la prochaine génération, à laquelle le groupe participe également.

L'étudiant participera à l'installation et à la mise en service des nouvelles chambres à projection temporelle sur le site japonais du laboratoire JPARC fin 2022 et début 2023. Ce sera une excellente occasion d'acquérir une expérience très formatrice sur les détecteurs.

En résumé, cette thèse permettra d'acquérir une expertise sur les oscillations de neutrinos, un sujet d’avenir très prometteur, de développer des techniques d'analyse de pointe, de participer à l'installation d'un détecteur innovant et d'interagir avec une large communauté de physiciens nucléaires et de phénoménologues. Les résultats de l'analyse proposée des données de T2K fourniront les meilleures mesures mondiales sur les paramètres d'oscillation des neutrinos, notamment sur la première source possible de violation de la charge-parité dans le secteur des leptons.

Les expériences de physique des particules sur les futurs collisionneurs linéaires à e-e+ nécessitent des progrès dans la résolution spatiale des détecteurs de vertex (jusqu’au micron), ceci afin de déterminer précisément les vertex primaires et secondaires pour des particules de grande impulsion transverse. Ce type de détecteur est placé près du point d’interaction. Ceci permettra de faire des mesures de précision en particulier pour des particules chargées de faible durée de vie. Nous devons par conséquent développer des matrices comprenant des pixels de dimension inférieure au micron-carré. Les technologies adéquates (DOTPIX, Pixel à Puit/Point quantique) devraient permettre une avance significative en reconstruction de trace et de vertex. Bien que le principe de ces nouveaux dispositifs ait été étudié à l’IRFU (voir référence), ce travail de doctorat devrait se focaliser sur l’étude de dispositifs réels qui devraient alors être fabriqués garce aux nanotechnologies en collaboration avec d’autres Instituts. Cela requiert l’utilisation de codes de simulation et la fabrication de structures de test. Les applications en dehors de la physique se trouvent pour l’essentiel dans l’imagerie X et les cameras holographiques dans le visible.

Les résonateurs supraconducteurs sont utilisés dans des domaines d'application très variés; des Qubits ou détecteurs à photon unique aux cavités radio fréquence utilisés dans les accélérateurs de particule. Les bits quantiques supraconducteurs (Qubits) attirent une attention croissante et des investissements publics importants au cours de ces dernières années. L'un des principaux défis est de conserver la cohérence / l'information quantique suffisamment longtemps pour pouvoir effectuer des calculs. De nos jours, les Qubits peuvent atteindre un temps de cohérence d'environ 100 µs et les cavités supraconductrices ~100 ms ; les recherches actuelles visent à augmenter ces temps d'au moins un ordre de grandeur. Bien que ces deux dispositifs supraconducteurs (Qubits et cavités) soient très différents (température de fonctionnement, géométries etc…), des expériences récentes indiquent que certains mécanismes microscopiques qui limitent leurs performances sont similaires. Des impuretés (systèmes à deux niveaux, impuretés magnétiques etc…) présentent au sein des diélectriques ou à l'interface entre le diélectrique et le film supraconducteur ont été identifiées comme des candidats potentiels à la perte de cohérence. De plus, les propriétés supraconductrices des films, et en particulier leurs variations spatiales, sont également des paramètres importants qui limitent les performances des Qubits et des cavités, et doivent donc être systématiquement caractérisés.

C e projet de thèse, effectué en collaboration entre l'IIT au USA, le SPEC et le CERN, a pour but d’étudier par spectroscopie tunnel (ST) et photoémission par rayon X (XPS) ces paramètres supraconducteurs de surface ainsi que les signatures spectrales caractéristiques des impuretés sur des nouveaux matériaux utilisés pour les cavités supraconductrices et les bits Quantiques. Il s’agit d’apporter une compréhension fine de ces phénomènes, d’établir des corrélations entre les mesures effectuées sur échantillons et les performances des dispositifs supraconducteurs et enfin de pouvoir proposer des solutions technologiques pour améliorer leurs performances.

Le cadre général de ce sujet est la structure nucléaire et plus particulièrement l’étude de la forme des noyaux de masse intermédiaire (A~100).

La forme des noyaux est une des propriétés nucléaires fondamentales. Elle est gouvernée à la fois par des effets macroscopiques et microscopiques tels que la structure en couche du noyau. Certains noyaux présentent un phénomène de coexistence de formes : le noyau change radicalement de forme à une faible énergie d’excitation. Récemment, l’observation d’un état déformé dans le noyau magique du 96Zr a été explique par une réorganisation des couches nucléaires en fonction de leur remplissage par les protons et les neutrons. La thèse se focalisera sur l’étude expérimentale des propriétés nucléaires d’un noyau voisin (100Ru), plus accessible expérimentalement, ou la présence du même phénomène est suggéré. Deux méthodes expérimentales seront utilisées : spectroscopie gamma suivant une capture neutronique, et l’excitation coulombienne, qui est la méthode la plus directe pour déterminer les formes des noyaux dans leurs états excités. L’étudiant(e) sera en charge de l’analyse des expériences réalisées auprès deux installations: FIPPS (ILL, Grenoble) et HIL (Université de Varsovie, Pologne).

La chasse aux éléments super lourds est l'un des sujets les plus passionnants et les plus actifs de ces dernières années et a déjà produit de nouveaux éléments tels que 113, 115, 117 et 118 dans des expériences d'accélérateur. Tous ces noyaux peuvent être produits par des réactions de fusion-évaporation. Cependant, leurs études sont grandement entravées par les taux de production extrêmement faibles, d'où la difficulté a avoir des informations expérimentales dans cette région. Les faisceaux stables de haute intensité de l'accélérateur linéaire supraconducteur de l'installation SPIRAL2 au GANIL, couplés au spectromètre à super-séparateur (S3) et à un spectromètre à plan focal à haute performance (SIRIUS), ouvriront de nouveaux horizons pour la recherche dans les domaines de ces noyaux rares et des phénomènes de faible section à la limite de la stabilité nucléaire. L'étudiant participera activement aux tests de l'ensemble du détecteur SIRIUS au GANIL.

Les informations sur les éléments les plus lourds ont été obtenues jusqu'à présent par des réactions de fusion-évaporation. Il est cependant bien connu que les seuls noyaux que l'on peut atteindre par des réactions de fusion-évaporation sont déficients en neutrons et, de plus, en nombre très limité (en raison du nombre restreint de combinaisons faisceau-cible). Une alternative à la fusion-évaporation pourrait être une méthode révolutionnaire basée sur des collisions inélastiques en profondeur. L'étudiant prendra donc une part active a l'étude de la structure nucléaire des éléments lourds en utilisant la nouvelle méthode alternative des réactions de transfert multi-nucleons.

La résonance géante dipolaire, qui correspond à l’oscillation en opposition de phase des protons en neutrons, est un mode de vibration bien connu du noyau situé entre 12 et 24 MeV d’énergie d’excitation. Dans les noyaux riches en neutrons, une résonance dipolaire additionnelle a été observée proche du seuil d’émission neutron. Cette petite structure, en comparaison de la résonance géante dipolaire, est communément appelée résonance dipolaire pygmée (PDR) et est décrite comme l’oscillation d’une peau de neutrons contre un cœur symétrique en nombre de protons et de neutrons. La PDR a été le sujet de nombreuses études à la fois expérimentales et théoriques. En effet, l’étude de la PDR a suscité et suscite toujours beaucoup d’intérêt puisqu’elle permet de contraindre l’énergie de symétrie, un ingrédient important de l’équation d’état de la matière nucléaire qui décrit la matière au sein des étoiles à neutrons. De plus, la présence d’une résonance dipolaire proche du seuil d’émission neutron est prédite comme pouvant jouer un rôle clé dans le processus-r (processus qui pourrait expliquer la synthèse des noyaux lourds) via l’augmentation du taux de capture neutronique. Cependant, malgré de nombreux résultats expérimentaux, une description cohérente de la PDR n’a pas pu être extraite. Dans ce contexte, nous proposons d’aller étudier la PDR en utilisant une nouvelle méthode expérimentale : la diffusion inélastique de neutrons. Cette nouvelle sonde, élémentaire car composée d’un seul nucléon, non soumise à l’interaction coulombienne car neutre, est une approche originale qui apportera un regard neuf sur la nature de la PDR.



Le laboratoire LENA (Laboratoire d’Etude du Noyau Atomique), au sein du Département de Physique Nucléaire (DPhN) de l’IRFU, est fortement impliqué dans l’étude de la structure du noyau atomique. Les chercheurs du LENA travaillent, depuis longtemps, en étroite collaboration avec les équipes du GANIL (France), de GSI (Allemagne), de l’Université de Jyväskylä (Finlande)… où ils réalisent leurs expériences. Les faisceaux de haute intensité produits par GANIL-SPIRAL2, associés au système de production de faisceaux de neutrons NFS (Neutron For Science), permettent depuis 2021 de produire des faisceaux de neutrons aux énergies adaptées à la diffusion inélastique de neutrons avec des intensités sans précédent.



L’objectif de la thèse est d’étudier pour la première fois la résonance pygmée par diffusion inélastique de neutrons. La thèse consistera en : i) la participation à l’expérience, ii) l’analyse des données, et iii) l’interprétation des résultats en collaboration avec les théoriciens.

Bien que connue depuis plus de 80 ans, la désintégration béta reste un sujet d’étude de grande actualité car au cœur de nombreuses applications où les processus retardés sont important, comme les neutrons retardés utilisés pour le pilotage des réacteurs nucléaires ou la puissance résiduelle après des phases transitoires de fonctionnement des réacteurs nucléaires. Sur le plan fondamental, elle joue un rôle capital dans la découverte et dans l’étude des propriétés des neutrinos issus de réacteurs nucléaires.

Dans ce travail de thèse nous proposons de développer un modèle phénoménologique de fonction force béta qui décrit le processus d’échange de charge dans le noyau (un neutron se transforme en proton). Ce modèle devra intégrer le maximum de physique connue et pourra s’appuyer sur des résultats de calculs microscopiques. Un premier attendu du travail sera d’utiliser ce modèle pour générer une référence de spectres en énergie d’électrons et d’anti-neutrinos non biaisés à l’aide du code BESTIOLE. Cet attendu permettra d’étudier l’origine de l’anomalie des neutrinos réacteurs et servira de référence pour les expériences de neutrinos réacteur actuelles et futures. Un second attendu sera d’implanté ce modèle dans des codes plus évolués comme le code de désexcitation neutron et gamma FIFRELIN. Ceci permettra à terme la mise en place d’un outil de traitement des processus prompts et retardés de la fission. Dans le cas de cette thèse, il sera appliqué à l’analyse des spectres gamma retardés de l’expérience FIPPS à l’ILL.

Nous proposons une étude théorique et expérimentale d’un nouveau type de radioactivité nucléaire qui reste à découvrir : la double décroissance alpha. Le volet théorique permettra de déterminer le noyau pour lequel la signature expérimentale de la radioactivité double alpha est la plus claire. Quant au volet expérimental de la thèse, il consistera à optimiser le dispositif de détection en vue de nouvelles expériences qui pourraient être réalisées au CERN et mener à la découverte de cette nouvelle radioactivité.

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.

Les quarkonia sont des particules rares et très lourdes qui sont produites aux premiers instants de la collision principalement par des processus de fusion de gluons. Ainsi elles sont crées avant même la formation du QGP et constituent des sondes idéales de celui-ci. En traversant le QGP, la paire quark/anti-quark serait écrantée par les nombreux quarks et gluons du plasma. Il s’agit du mécanisme de suppression des quarkonia par écrantage de couleur par le QGP. Les différents états des quarkonia ayant des énergies de liaison différentes, la probabilité de dissociation de chaque état sera différente, on parle alors de suppression séquentielle des quarkonia. De plus, si le nombre initial de paires quark/anti-quark est élevé, et si les quarks lourds thermalisent dans le QGP, alors des nouveaux quarkonia peuvent être crées par le QGP par recombinaison de quarks lourds. C’est le mécanisme de régénération. Au LHC, les Upsilon (b-bbar) et les J/psi (c-cbar) sont complémentaires, les premiers seraient plus aptes pour étudier la suppression séquentielle, alors que les seconds permettraient d’étudier d'éventuels mécanismes de régénération. D’autre part les J/psi non-prompt qui sont issus de la décroissance des hadrons contenant un quark b, donnent accès aux propriétés du transport des quarks b dans le QGP. Plus récemment, la photo-production des J/psi dans les collisions Pb-Pb périphériques à été mise en evidence, il s’agit de J/psi produits à partir du flux de photons émis par les noyaux de Pb en mouvement et qui sont principalement produits avec une très faible impulsion transverse. La caractérisation de ces quarkonia photo-produits permettra de mieux contraindre l’état initial de la collision ainsi que les propriétés du QGP.

Nous proposons d’étudier la production des quarkonia prompt et non-prompt dans les collisions Pb-Pb à une énergie dans le centre de masse de la collision par paire de nucleon (sqrt(sNN)) de 5 TeV au LHC avec les premières données du Run 3 (2022-2024). Une amélioration du système de détection d’ALICE est en cours, avec notamment l’ajout d’un trajectographe à pixels en silicium 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 séparer les contributions prompt et non-prompt grâce à la mesure de precision du vertex de décroissance en deux muons des quarkonia.

Dans un premier temps, le candidat mettra en place les procedures de séparation des quarkonia prompt et non-prompt. En ce faisant, l'étudiant contribuera au développement du nouveau code de reconstruction, simulation, calibration et analyse (aussi appelé O2) que la Collaboration ALICE développe pour les Runs 3 et 4 du LHC. Dans un deuxième temps, le candidat étudiera la production des quarkonia prompt et non-prompt en Pb-Pb en termes de taux et d’anisotropie de production. Ces études pourront se faire en fonction de la centralité de la collision, de l’impulsion transverse et de la rapidité du quarkonia, pour différents types de quarkonia. En fonction de l’état d’avancement de la thèse ces études prioritaires pour les quarkonia issus des collisions hadroniques pourront être étendues aux quarkonia photo-produits.

L’analyse des rayonnements gamma prompts émis par les fragments de fission est devenue un outil indispensable pour étudier le processus de fission nucléaire. Elle permet de sonder les propriétés intrinsèques des fragments ou d’explorer des effets encore peu étudiés expérimentalement comme l’influence de la forme des fragments sur le processus de fission, le partage de l’énergie d’excitation entre les fragments ou encore la distribution des spins des fragments juste après la scission. D’autre part, la mesure des rayons gammas prompt de fission fournit des données nucléaires utiles à la simulation des réacteurs.



Le travail de thèse consistera à explorer la possibilité d’utiliser les gamma prompts pour estimer la population des fragments - les rendements indépendants de fission - en comparant les valeurs obtenues par cette méthode avec des rendements évalués, mesurés notamment par spectrométrie de masse. L’objectif est de comprendre les anomalies, des déficits importants dans les rendements obtenus par la méthode des gamma prompts que l’on rencontre sur plusieurs noyaux bien produits, en testant différentes hypothèses dans la modélisation du processus de fission et de la désexcitation des fragments. Dans un deuxième temps, le travail consistera à déterminer les rendements de fragments lourds, riches en neutrons, pour lesquels les rendements, obtenus via la mesure de leurs gamma retardés, sont sujets à caution.

Seront exploitées à cette fin les données sur la fission thermique de l’U-235 et de l’U-233 déjà mesurées par le spectromètre gamma FIPPS installé auprès du réacteur de recherche de Grenoble et éventuellement les prochaines mesures avec FIPPS sur la fission thermique du Cm-245.

Ces études seront réalisées en collaboration avec le laboratoire LEPH (CEA DES/IRESNE/DER/SPRC) qui développe le code de désexcitation des fragments de fission FIFRELIN.

L'étude des marches aléatoires branchantes permet de caractériser de nombreux phénomènes tels que la propagation des épidémies, la transmission génétique au sein de populations, le mode fondamental de systèmes quantiques ou le transport des neutrons dans les milieux fissiles pour n'en citer que quelques-uns.



Dans ce dernier domaine par exemple, des travaux récents ont montré que des structures spatiales (phénomène de "clustering") pouvaient émerger au sein de la population de neutrons présente dans un réacteur nucléaire, que l'on décrit à l'aide de la fonction de corrélation spatiale. Des approches fondées sur l'utilisation d'outils de la théorie quantique des champs (QFT) ont permis de calculer cette fonction de corrélation, mais montrent des limites vis à vis de l'étude de certaines grandeurs (notamment concernant le calcul de diverses observables dans la vicinité du point critique, où les productions et les disparitions se compensent exactement).



Cette thèse de doctorat propose par conséquent de mettre au point une approche Lagrangienne dans cet objectif, en calquant une technique élaborée par Doi et Peliti et reprise par Garcia-Millan, afin de retrouver les résultats de l'approche QFT puis d'étendre ces derniers à différentes observables. Pour ce faire, il conviendra de prendre en compte ainsi le transport spatial de l'espèce considérée (neutrons en physique des réacteurs, virus en épidémiologie, configurations en mécanique quantique). Les résultats de ces développements formels pourront alors être confirmés numériquement à l'aide d'un code Monte-Carlo simplifié d'ores et déjà développé en Python. Il conviendra par conséquent d'implémenter dans ce code le calcul de différentes grandeurs d'intérêt (corrélations temporelles, spatiales, taille et fluctuations de la population, ...), et de réaliser une analyse spectrale de la distribution obtenue (calcul des modes propres du système), pour finalement essayer d'extrapoler les résultats obtenus pour des milieux critiques ou sur/sous-critiques. Une dernière partie du travail doctoral consistera alors a investiguer les conséquences de ces travaux dans le domaine de la neutronique (calcul des fluctuations de la population de neutrons dans la viccinité du point critique, et caractérisation de l'effet de clustering) ainsi que dans le domaine de la mécanique quantique (étude des modes propres d'un système quantique par une approche de type Nagasawa, c'est à dire en s'intéressant à l'équivalence entre les équations de la diffusion à temps réel et à temps complexe).

Le satellite Euclid, qui sera lancé en 2023, observera le ciel dans les domaines optique et infrarouge, et mesurera les distorsions gravitationnelles jusqu’à des redshifts très élevés. L’effet de lentille gravitationnelle faible est considérée comme l’un des outils les plus prometteurs de la cosmologie pour contraindre les modèles. Les lentilles faibles sondent l’évolution des structures de la matière noire et peuvent aider à distinguer l’énergie noire des modèles de gravité modifiée. Grâce aux mesures de cisaillement, nous pourrons reconstruire une carte de masse de matière noire de 15 000 degrés carrés. La cartographie de masse implique la construction de cartes bidimensionnelles utilisant des mesures de forme de galaxie, représentant la densité de matière totale intégrée le long de la ligne de visée. Les cartes de masse sur des petits champs ont souvent été utilisées pour étudier la structure et la distribution en masse des amas de galaxies, alors que les cartes à grand champ ne sont possibles que depuis peu, en raison des stratégies d'observation de relevés de galaxies tels que CFHTLenS, HSC, DES et KiDS. Les cartes de masse contiennent des informations cosmologiques non gaussiennes significatives et peuvent être utilisées pour identifier des amas massifs ainsi que pour effectuer une corrélation croisée entre le signal de lentille et les structures d’avant plan.

Les paramètres cosmologiques sont traditionnellement estimés à l'aide d'une vraisemblance gaussienne basée sur des prédictions théoriques de statistiques de second ordre telles que le spectre de puissance ou les fonctions de corrélation à deux points. Cela nécessite de construire des matrices de covariance, et donc de nombreuses simulations à n corps très lourdes. Cette approche présente également plusieurs inconvénients supplémentaires : premièrement, les statistiques de second ordre capturent toutes les informations disponibles dans les données uniquement dans le cas des champs aléatoires gaussiens, tandis que la distribution de la matière est hautement non gaussienne et présente de nombreuses caractéristiques telles que des filaments, des feuillets ou des amas. Deuxièmement, la matrice de covariance est dépendante de la cosmologie et le bruit n'est généralement pas gaussien, ces deux aspects étant généralement mal pris en compte. Enfin, tous les effets systématiques tels que les masques, l'alignement intrinsèque, les effets baryoniques sont très difficiles à prendre en compte. Pour toutes ces raisons, une nouvelle approche a récemment émergé, appelée inférence de paramètres cosmologiques sans vraisemblance, basée sur une modélisation “forward”. Il a le grand avantage de ne plus avoir besoin de matrices de covariance, évitant le stockage d'un énorme ensemble de données simulées (nous avons généralement besoin de 10 000 réalisations à n corps pour chaque ensemble de paramètres cosmologiques). De plus, cela nous ouvre la porte à l'utilisation d'informations statistiques d'ordre élevé et il est relativement simple d'inclure tous les effets systématiques. Il présente cependant deux inconvénients sérieux, le premier est le besoin d'énormes ressources GPU pour traiter des relevés tels qu'Euclid et le second est que la solution repose sur la précision des simulations, ce qui pourrait conduire à des discussions infinies au cas où les résultats seraient différents de ce qui est attendu. Grâce à une percée récente (Codis, 2021), nous disposons désormais d'outils théoriques pour prédire, pour un ensemble donné de paramètres cosmologiques, la fonction de probabilité de densité multi-échelle (pdf) de cartes de convergence comme celle qui sera observée avec Euclid .



L'objectif de ce travail de thèse est de développer une approche hybride, consistant en une inférence de paramètres cosmologiques sans vraisemblance qui serait basée sur la prédiction théorique statique d'ordre élevé plutôt que sur des simulations à n corps. Il aurait donc l'avantage des deux approches décrites précédemment, car il n'aura pas besoin de stocker un énorme ensemble de données pour calculer une matrice de covariance et il ne nécessitera pas d'énormes ressources CPU/GPU comme méthode de modélisation avancée. Cette frugalité intense rendra cette approche hautement compétitive pour contraindre le modèle cosmologique en utilisant des statistiques d'ordre élevé dans les futurs relevés.

Pour atteindre cet objectif, la première étape sera de construire un émulateur de carte, similaire à ce qui a été fait pour les statistiques à 2 points (c'est-à-dire la méthode flask), mais qui respecte avec précision les prédictions d'ordre élevé. En utilisant cet émulateur, il sera alors possible de l'utiliser comme contournement dans un code d'inférence récemment développé. Cela permettra l'utilisation de statiques d'ordre élevé telles que la norme l1 de la transformée en ondelettes de la carte convergence pour contraindre les paramètres cosmologiques, la norme l1 étant qui une statistique extrêmement puissante (Ajani et al, 2021). La méthode sera d'abord appliquée sur le relevé CFIS, puis sur Euclid.



References

Barthelemy A., Codis S. and Bernardeau F., "Probability distribution function of the aperture mass field with large deviation theory", 2021, MNRAS, 503, 5204;

V. Ajani, J.-L. Starck and V. Pettorino, "Starlet l1-norm for weak lensing cosmology", Astronomy and Astrophysics,  645, L11, 2021.

La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d'imagerie nucléaire largement utilisée dans la recherche en oncologie et en neurobiologie. La désintégration du traceur radioactif émet des positrons, qui s'annihilent en deux photons de 511 keV. Grâce à la technologie du temps de vol, ils peuvent être utilisés pour reconstituer le point d'annihilation et la distribution de l'activité du traceur dans le corps du patient.

Dans cette thèse, nous proposons de contribuer au développement de la technologie brevetée ClearMind. Le premier prototype est actuellement testé en laboratoire. Ce détecteur de photons gamma met en œuvre un cristal monolithique de Tungstate de Plomb, dans lequel sont produits des photons Cherenkov et de scintillation. Ces photons sont convertis en électrons par la 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 d'acquisition rapide SAMPIC. Le temps et les coordonnées de la conversion gamma dans le cristal sont reconstruits en utilisant des techniques d'apprentissage automatique.

Le candidat travaillera sur la caractérisation et l'optimisation du module de détection ClearMind. Cela comprend des tests fonctionnels avec un laser pulsé picoseconde et une source radioactive de 22Na, l'analyse des données à l'aide du logiciel ROOT/C++, la reconstruction des événements avec des algorithmes d'apprentissage automatique et l'interprétation des mesures à l'aide d’une simulation Geant4.

L'optimisation prévue du détecteur fera passer la technologie ClearMind du niveau TRL 2 au niveau 5/6. Elle consiste à améliorer la conception du module de détection et donc à augmenter l'efficacité de détection, à optimiser la lecture des signaux et à améliorer l'intégration du module de détection avec l'électronique de numérisation.