Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Les axions sont des particules hypothétiques, apparaissant dans des extensions du modèle standard. Ils ont été introduits pour expliquer l’absence de violation de CP dans les interactions fortes. Il constituent par ailleurs un excellent candidat à la matière noire. En présence d’un champ magnétique intense les axions présents dans une expérience de laboratoire pourraient se convertir en ondes radiofréquences, détectables à l’aide d’un radiomètre. Une telle expérience est en cours de montage au CEA Saclay. Le travail de thèse consistera dans un premier temps à développer le radiomètre et à exploiter des bancs de mesures pour en déterminer précisément la sensibilité au signal d’axion, et en optimiser les performances. Dans un second temps, il s’agira de participer à l’étalonnage de l’expérience, de participer aux prises de données et aux analyses de données en vue de produire des contraintes sur les paramètres décrivant les axions.

Les observations en rayons gamma de très hautes énergies (THE, E>100 GeV) sont cruciales pour la compréhension des phénomènes non-thermiques les plus violents à l’œuvre dans l’Univers. La région du centre de la Voie Lactée est une région complexe et active en rayons gamma de THE. Parmi les sources gamma de THE se trouvent le trou noir supermassif Sagittarius A* au coeur de la Galaxie, des vestiges de supernova ou encore des régions de formation d'étoiles. L'émission diffuse détectée par les télescopes H.E.S.S. a permis de détecter le premier « Pevatron » Galactique - un accélérateur cosmique jusqu'à des énergies du PeV. La région du Centre Galactique abrite la base de bulles de Fermi - structures bipolaires s'étendant sur des dizaines de degrés, en lien possible avec une période d'activité passée de Sagittarius A*. La région du Centre Galactique devrait être aussi a source la plus brillante d’annihilations de particules de matière noire en rayons gamma de THE.

L'observatoire H.E.S.S. situé en Namibie est composé de cinq télescopes imageurs à effet Cherenkov atmosphérique. Il est conçu pour détecter des rayons gamma de quelques dizaines de GeV à plusieurs dizaines de TeV. La région du Centre Galactique est observée par H.E.S.S. depuis vingt ans. Ces observations ont permis de détecter le premier Pevatron Galactique et de poser les contraintes les plus fortes à ce jour sur la section efficace d'annihilation de particules de matière noire dans la plage en masse du TeV.

Le travail proposé se concentrera sur l'analyse et l'interprétation de l’ensemble des observations H.E.S.S. conduites dans la région du Centre Galactique vingt ans. La première partie du travail sera dédiée à l’analyse bas niveau des données et à l’étude des erreurs systématiques dans le jeu de données massif. Dans une deuxième partie, l’étudiant(e) combinera l'ensemble des données obtenues lors la phase 1 et le phase 2 de H.E.S.S. pour rechercher des émissions diffuses et des signaux de matière noire à l’aide d'une technique d'ajustement multi-composante. La troisième partie consistera à développer et implémenter une nouvelle méthode d’analyse utilisant les réseaux de neurones Bayesiens pour la recherche de nouvelles émissions astrophysiques dans le centre Galactique avec H.E.S.S. et étudier le potentiel de détection avec CTA. L’étudiant(e) sera amené(e) à prendre part à la prise de données avec les télescopes H.E.S.S.

L’astronomie des très hautes énergies est une partie de l’astronomie relativement récente (30 ans) qui s’intéresse au ciel au-dessus de 50 GeV. Après les succès du réseau H.E.S.S. dans les années 2000, un observatoire international, le Cherenkov Telescope Array (CTA) devrait entrer en fonctionnement à l’horizon 2024. Cet observatoire comportera une cinquantaine de télescopes au total, répartis sur deux sites. L’IRFU est impliqué dans la construction de la NectarCAM, une caméra destinée à équiper les télescopes « moyens » (MST) de CTA. Le premier exemplaire de cette caméra (sur les neuf prévues) est en cours d’intégration à l’IRFU et sera installé sur le site Nord de CTA en 2024. Une fois la caméra installée, les premières observations du ciel pourront avoir lieu, permettant de valider entièrement le fonctionnement de la caméra. La thèse vise à finaliser les tests en chambre noire à l’IRFU, préparer l’installation et valider le fonctionnement de la caméra sur le site de CTA. Elle vise également à effectuer les premières observations astronomiques avec ce nouvel instrument. Il est également prévu de participer à l’analyse des données de la collaboration H.E.S.S., sur des sujets d’astroparticules (recherche de trous noirs primordiaux, contraintes sur l’Invariance de Lorentz à l’aide d’AGN lointains).

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'un an d'observations par les interféromètres OG (appelée O4) est prévue de débuter en printemps 2023. 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);

L’interaction des mouvements convectifs dans la couche convective externe des étoiles similaires au Soleil avec la rotation et le champ magnétique est à l’origine de l’apparition d’une dynamo qui est responsable des cycles d’activité magnétique. Ces cycles produisent 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. En effet, une des sources de bruit les plus importants pour pouvoir détecter et caractériser les atmosphères des planètes de faible masse comme la Terre autour des étoiles comme le Soleil est liée à la variabilité magnétique. Mieux comprendre et mieux caractériser cette variabilité est donc extrêmement importante pour l’exploitation scientifiques des données recueillies par les missions spatiales comme Kepler, TESS ou JWST de la NASA ainsi que les futurs satellites PLATO et ARIEL de l’ESA sur lesquelles le DAp/CEA est fortement impliqué dans son développement et exploitation. Grâce aux données de plus de 25 ans obtenues par le satellite ESA/NASA SoHO (toujours en vol au tour du Soleil), l’étudiant commencera par caractériser sismiquement les variations des couches le plus externes du soleil au cours des deux derniers cycles d’activité (23 et 24) couvrant déjà plus de 26 ans.

La deuxième partie de la thèse consistera à chercher des cycles d’activité dans les données de ~160,000 étoiles observées pendant 4 ans par le satellite Kepler et ainsi mieux préparer les outils nécessaires (incluent des techniques de "Machine Learning") pour obtenir ces cycles dans les données de la mission NASA TESS et pour la future mission ESA PLATO. En parallèle de ces études, l’étudiant participera à la caractérisation de bruit des étoiles à planètes candidates à des études d’atmosphères planétaires avec JWST et ARIEL, en collaboration avec d’autres membres du LDE3, pour mieux caractériser les modulations associées avec la rotation et au magnétisme de ces étoiles et ainsi permettre d’améliorer la caractérisation des atmosphères planétaires. Ces études pourraient être faits avec des données de TESS ou de suivi sol.

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 James Webb Space Telescope (JWST) est en train de révolutionner notre connaissance des exoplanètes. Grâce à sa grande surface collectrice de lumière (25 m2) et à sa capacité d'observations spectroscopiques dans une grande gamme de longueurs d'onde (0.6 - 28 microns), le télescope permet de sonder l'atmosphère d'une large gamme d'exoplanètes, allant de Jupiters chauds à des planètes rocheuses tempérées. Grâce à notre forte implication dans le développement de l'instrument MIRI (Mid-InfraRed Instrument) du JWST, nous bénéficions de temps garanti d'observations et nous coordonnons le programme dédié à l'observation des exoplanètes. Les données fournies par le JWST sont d'une qualité remarquable.



Le travail de thèse consistera à réduire, analyser et interpréter les données fournies par le JWST pendant le cycle 1 et le cycle 2, à préparer des demandes de temps pour les cycles 3 et 4 à partir d'observations simulées. Le laboratoire est également très impliqué dans la mission Ariel. Un aspect de la thèse sera l'étude des synergies entre JWST et Ariel.

Le Milieu InterStellaire (MIS) est une intrication complexe de phases remplissant le volume d'une galaxie entre les étoiles. Il est constitué de : (i) gaz, principalement d'hydrogène (75%) et d'hélium (23%), mais aussi d'éléments plus lourds (C, N, O, etc. ; 1%) qui peuvent se trouver sous forme moléculaire ; et (ii) de grains de poussières (le 1% restant de la masse), qui sont de petites particules solides de tailles inférieures au micron. Le MIS est un constituant fondamental de l'Univers, puisque les étoiles naissent de l'effondrement de nuages interstellaires denses, et retournent une partie de leur masse, enrichie en éléments fraîchement synthétisés, à la fin de leur vie.



La poussière interstellaire est une composante particulièrement importante du MIS, car elle absorbe efficacement la lumière visible et la réémet thermiquement dans l'infrarouge. Certaines régions sont totalement opaques aux photons visibles et ne peuvent être sondées que par leur émission infrarouge. La poussière est également un agent important du chauffage du gaz par effet photo-électrique. C'est aussi le catalyseur pour la formation du dihydrogène, la molécule la plus abondante de l'Univers. Or, les propriétés des grains de poussière (composition, abondance, distribution de taille, etc.) sont encore mal connues. Cette incertitude entrave donc notre compréhension de la physique du milieu interstellaire, et par extension, celle de l'évolution des galaxies.



Ce projet de thèse a pour but de progresser dans notre compréhension des propriétés des grains, en se concentrant sur la variation de ces propriétés dans l'Univers proche. La poussière évolue en effet dans le MIS, et cette évolution dépend des conditions locales (densité du gaz, champ UV, etc.). Cette évolution peut être étudiée de manière empirique en modélisant les observations multi-longueurs d'onde, spatialement résolues à l'échelle de quelques centaines de parsecs, dans les galaxies proches.



Notre groupe a une grande expérience dans ce domaine. Nous conduisons actuellement un grand programme d'observation millimétrique de ces objets, avec l'instrument NIKA2 (https://irfu.cea.fr/dap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php’id_ast=4644). Nous avons récemment été la cheville ouvrière de la modélisation des distributions spectrales d'énergie du grand programme européen DustPedia (http://dustpedia.astro.noa.gr/’AspxAutoDetectCookieSupport=1). Nous avons par ailleurs développé un code unique d'ajustement de distributions spectrales d'énergie, utilisant une méthode bayesienne hiérarchique, HerBIE (Galliano, 2018 ; https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2018MNRAS.476.1445G/abstract). Ce code nous a permis d'estimer les échelles de temps caractéristiques d'évolution des grains, sur des temps cosmiques (https://irfu.cea.fr/dap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php’t=fait_marquant&id_ast=4929).



Le travail de thèse comportera deux volets. La première tâche consistera à développer le code HerBIE, en y incorporant la modélisation de l'émission des populations stellaires. En outre, cette modélisation devra être effectuée de manière cohérente avec la description de l'évolution chimique des galaxies. Il faudra de plus modéliser le transfert de rayonnement du rayonnement stellaire à travers le MIS, pour un grand nombre de topologies possibles. La deuxième partie de la thèse consistera à appliquer ce code aux observations multi-longueurs d'onde de galaxies proches, afin de mettre en évidence des tendances entre propriétés des grains et conditions physiques du MIS, et ainsi contraindre l'évolution de la poussière.

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.

L’objectif scientifique du satellite Franco-Chinois SVOM, dont le lancement est prévu pour fin 2023 en phase avec le début de la thèse proposée, est l’étude des sursauts gamma (GRBs), événements astrophysiques éphémères du ciel, libérant une énergie formidable sous forme de bouffées de rayons gamma provenant d’un point du ciel. Les missions précédentes se sont focalisées sur la détection de GRBs courts avec des durées moyennes de 1 s (resp. longs, émettant durant 10 s environ), associés à la coalescence d’objets compacts comme des étoiles à neutrons (resp. des supernovas d’étoiles très massives). Des cibles très prometteuses pour SVOM sont la classe des GRBs d’ultra-longue durée (avec une émission gamma jusqu’à 10000 s et dont l’origine reste une énigme), et les GRBs à des distances cosmologiques (à fort décalage vers le rouge, et donc détectables dans le domaine des basses énergies). Le télescope ECLAIRs à bord de SVOM est particulièrement bien adapté à l’observation de ce type de sursauts, grâce à son seuil de détection aussi bas que 4 keV et grâce au « trigger » sursauts gamma, le logiciel scientifique embarqué à bord du calculateur d’ECLAIRs, développé au CEA. Ce trigger détecte et localise les sursauts gamma à bord du satellite, demande son repointage pour les observations de suivi avec les autres instruments à bord, et alerte la communauté sol de l’apparition de l’événement. La thèse propose l’étude des premiers sursauts gamma observés par l’instrument ECLAIRs opérationnel en vol, en particulier les sursauts longs et d’ultra-longue durée et les sursauts riches en rayons X. Le thésard prendra part aux campagnes d’observation en vol et analysera les données produites par l’instrument. En particulier la compréhension du bruit de fond observé à basse énergie, y compris les sources connues référencées dans un catalogue bord, et l’analyse scientifique du fonctionnement du trigger sur les échelles de temps allant de 20 s à 20 min sont cruciaux pour augmenter le nombre de déclenchements sur ces sources novatrices.

Les amas de galaxies qui se forment à l’intersection des filaments de matière, sont de très bons traceurs de la distribution de matière de l’Univers. Composés à 85% de matière noire et de 15% de matière baryonique (galaxies et gaz chaud émettant en rayons X), ils sont une précieuse source d’information pour la Cosmologie et leur étude nous renseigne sur la physique de formation des structures. Pour cela, il est important de les détecter et de les caractériser avec précision.

La sensibilité de la mission Euclid, la prochaine grande mission de cosmologie de l’ESA dont le lancement est prévu en 2023, devrait permettre une détection aveugle des amas de galaxies par effet de lentille gravitationnelle. Cet effet qui génère des distorsions cohérentes dans les images des galaxies d’arrière-plan est étroitement lié à la masse totale (matière noire et baryonique) projetée de l’amas de galaxie intégrée le long de la ligne de visée. Ce point, combiné avec la taille du relevé (15 000 deg2) devrait permettre de construire un catalogue d’amas de galaxies détectés par effet de lentille gravitationnelle faible, unique de par sa taille et ses caractéristiques de sélection. Contrairement aux catalogues d’amas de galaxies construits jusqu’à maintenant qui sont détectés par leur contenu baryonique qui ne représente que 15% de la masse totale (e.g. via le contenu en gaz de l’amas en X ou via l’effet Sunyaev-Zeldovich (SZ) aux longueurs d’ondes millimétriques ou encore via les émissions dans le visible des galaxies), le catalogue d’amas détectés par effet de lentille gravitationnelle est directement lié à la masse totale des amas et de ce fait vraiment représentatif de la vraie population d’amas de galaxies. Cela devrait apporter de nouvelles contraintes sur l’abondance des amas de galaxies, et ainsi avoir des implications en cosmologie.

Ce projet de recherche qui vise à développer des méthodes innovantes pour la détection et la caractérisation des amas de galaxies par effet de lentille gravitationnelle se déroulera dans un contexte très stimulant grâce au lancement imminent du satellite Euclid en 2023. Il permettra une application aux données de la mission Euclid et une participation à l’exploitation scientifique des données.

L'objectif de ce projet de thèse est de développer tous les outils nécessaires pour une analyse efficace et fiable de l'effet de lentille gravitationnelle faible, et les corrélations croisées de lentille faible avec des galaxies, pour la mission spatiale d'Euclid. À partir des formes de galaxies mesurées par Euclid et des données spectroscopiques des galaxie par Euclid et d'autres relevés tels que BOSS, eBOSS et DESI, l'étudiant construira de divers estimateurs de lentille et de corrélations croisées.

Les combinaisons de ces observables en fonction de l'échelle angulaire, du redshift, et des propriétés des galaxies seront optimisées pour extraire au maximum les informations cosmologiques des données. De plus, une modélisation détaillée des effets systématiques sera effectuée pour contrôler et minimiser leur influence sur les résultats.



L'étudiant utilisera et développera des outils d'inférence statistique de point pour une inférence efficace des paramètres. Des prédictions théoriques d'observables à partir de modèles de l'histoire de l'expansion et l'Univers et de la structure à grande échelle seront créées dans un cadre de dérivation automatique, par example en utilisant la bibliothèque jaxcosmo, et en exploitant des calculs parallèles massifs sur les GPU. Cela offre la possibilité de calculer les

gradients de la vraisemblance pour accélérer l'inférence, et nous permettra d'utiliser des méthodes d'inférence (Bayésiennes) efficaces qui utilisent les gradients des modèles par rapport aux paramètres. En comparaison aux techniques d'échantillonnage traditionnelles, ces méthodes offrent une accélération significative du temps de calcul, et la possibilité d'explorer d'une façon efficace un grand nombre de paramètres. Ceci est important pour explorer des modèles de gravité non standard avec des paramètres supplémentaires et des modèles flexibles avec de nombreux paramètres de nuisance. Cela nous permet également d'inclure une modélisation détaillée des effets systématiques et d'ordre supérieur.

Le but de cette thèse est d'explorer l'Univers aux faibles brillances de surface sur un grand échantillon de galaxies dans les filaments cosmiques les plus proches (z<0.1) en exploitant les capacités uniques en imagerie et en spectroscopie de Euclid, mission qui sera lancée en 2023 par l’agence spatiale européenne et dans laquelle l’IRFU est fortement impliquée. Les simulations cosmologiques et les modèles théoriques prédisent une ségrégation morphologique des galaxies en bordure et au sein des grands filaments qui forment la toile cosmique, ainsi que des corrélations notables entre leur orientation et celle des grands filaments cosmiques. Cette ségrégation résulte d'effets de marée via i) la chute des galaxies vers les puits de potentiel gravitationnel creusés par la matière noire des filaments et ii) la circulation des galaxies au sein de ces mêmes filaments. À ce jour, cette signature n'a pas été explorée en détail dans l'Univers proche faute d'un grand relevé adéquat. Pourtant, comprendre ces alignements intrinsèques de galaxies a un double intérêt, non seulement pour comprendre la formation et l'évolution des galaxies en temps que tel (rôle de l’inné versus l’acquis) mais aussi car ces alignements polluent le signal cosmologique de cisaillement cosmique qui se manifeste par la mesure de déformations cohérentes des formes de galaxies. Ainsi, le télescope spatial Euclid permettra de contraindre les modèles d'évolution de l’Univers tout en apportant des éléments de réponse sur les alignements intrinsèques des galaxies qui affectent à plus haut redshift les mesures de cisaillement gravitationnel au coeur de la science première d’Euclid sur l'énergie sombre.

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. 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.

Le but de cette thèse est de développer des méthodes d’inférence bayésienne reposant sur des simulations différentiables et de les mettre en oeuvre pour l’analyse cosmologique du relevé de galaxies DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument).



DESI est un spectrographe multi-objets monté sur le télescope Mayall à Kitt Peak, en Arizona, qui permettra la mesure de 35 millions de décalages spectraux 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). La première année de prise de données de DESI, correspondant à un cinquième du relevé total et constituant le plus grand échantillon de données spectroscopiques à ce jour, vient d'être achevée.



Dans cette thèse, nous proposons de travailler sur une approche théoriquement optimale pour extraire l’information cosmologique des relevés récents de galaxies, en particulier DESI, qui consiste à reproduire la densité de galaxies observée à l’aide de simulations de la formation des grandes structures de l’Univers. Cette nouvelle approche requiert des développements pour rendre possible l’inférence en très grande dimension (~ 10^10) et pour accélérer les simulations numériques avec une approche hybride reposant sur des modèles physiques et d’apprentissage artificiel. Le ou la doctorant(e) appliquera ces développements à l’analyse cosmologique des données de DESI de première année pour en tirer des contraintes cosmologiques des plus compétitives. Ce projet mènera a trois publications premier auteur.

L'effet de lentille gravitationnelle faible, la distorsion des images de galaxies à haut décalage vers le rouge due aux structures de matière de premier plan à grande échelle, est l'un des outils les plus prometteurs de la cosmologie pour sonder le secteur sombre de l'Univers.



L'étudiant travaillera sur divers instruments à grand champ qui fournissent des relevés photométrique de galaxies :

- UNIONS (Ultraviolet Near-Infrared Optical Northern Sky survey), un grand relevé en cours qui observe le ciel du Nord dans 5 bandes.

- WFST (Wide-Field Survey Telescope). Ce télescope optique de 2,5 m en construction en Chine observera le ciel du Nord dans 5 bandes.

- CSST (Chinese Space Station Telescope). Ce télescope de 2 m, qui sera lancé en 2024 sur une orbite terrestre basse, observera une zone de 17500 deg2 dans 7 bandes optiques et proche UV.



En commençant par ShapePipe, un pipeline d'analyde de la lentille faible créé par notre groupe, l'étudiant développera de nouvelles méthodes pour analyser ces très larges jeux

de données. La précision statistique sans précédent nécessitera de nouvelles approches pour quantifier les erreurs systématiques observationnelles et instrumentales. Les observables astrophysiques et cosmologiques seront modélisées avec soin pour une inférence robuste et fiable des propriétés de la matière noire et de l'énergie noire à partir de données à faible lentille.

La cosmologie au 21e siècle vise à améliorer notre compréhension de l'Univers en cherchant à répondre à des questions ouvertes concernant la nature de la matière noire et de l'énergie noire, et le taux d'expansion précis de l'Univers. Afin d'aborder ces questions, il est essentiel de tirer parti de toutes les données rendues disponibles à l'ère actuelle de l'astronomie multi-messagers, en capitalisant sur les dernières avancées en matière de traitement du signal, d'apprentissage automatique et de traitement des données.

Les relevés optiques actuels et à venir, tels que KiDS-450 [1], le Dark Energy Survey Year 1 [2], le Vera C. Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) [3] et Euclid [4], vont sonder des parcelles plus larges et plus profondes de l'Univers tardif pour améliorer les contraintes sur les paramètres cosmologiques en mesurant les formes et les distributions des galaxies. Ces dernières années, les interféromètres à ondes gravitationnelles, tels que LIGO et Virgo, ont poussé les observations astronomiques au-delà du spectre électromagnétique. Cela a permis de détecter l'interaction d'étoiles à neutrons distantes et de trous noirs.

Les longueurs d'onde radio fournissent une sonde complémentaire et indépendante de l'Univers des temps tardifs. La radioastronomie offre l'avantage de sonder des décalages vers le rouge plus élevés, d'avoir une fonction d'étalement ponctuel déterministe (PSF) et d'être moins sensible aux anisotropies PSF [7].Les relevés radio à venir, tels que le Square Kilometre Array (SKA), sont conçus pour atteindre une sensibilité et une vitesse de levé d'un ordre de grandeur supérieur à celles des instruments existants. SKA a le potentiel d'ajouter des contraintes supplémentaires importantes sur les paramètres cosmologiques compte tenu de la vaste zone de ciel qu'il couvrira (~ 75%). Ceci, cependant, se fait au prix d'avoir à gérer des échelles de données extrêmement importantes et une reconstruction d'image compliquée. SKA devrait produire environ 1 To de données par seconde. Avec des observations typiques prenant environ 6h et une durée de vie totale de 15 ans, SKA produira des données à l'échelle Exabyte (1018 octets), ce qui en fait l'un des plus gros problèmes de gestion de données dans la science moderne.

L'équipe CosmoStat a été pionnière dans l'utilisation des techniques de traitement du signal et d'apprentissage automatique pour résoudre les problèmes inverses dans la reconstruction d'images astronomiques. L'application de ces méthodes aux données radio-interférométriques apporte cependant une foule de nouveaux défis, en partie en raison de la complexité supplémentaire des problèmes inverses à résoudre, mais aussi en raison des dimensions extrêmement grandes du problème. Les approches conventionnelles d'apprentissage en profondeur ne pourront pas s'adapter à la taille typique d'un champ SKA, et le développement d'approches efficaces de modèle-parallélisme sera nécessaire.

We now know that the first massive groups and clusters were already forming in the first 2-3 billion years of the Universe’s history. Unlike their modern-day descendants, these fascinating systems contained often highly star-forming gas-rich galaxies that later on quenched (stopped forming stars) and transformed morphologically into ellipticals systems through processes that are not yet fully known. This include the recent discovery of peculiar systems with quenched disks and star-forming bulges, which could be seen as ‘anti-galaxies’ respect to the later-time typical objects that are quenched in the centres (bulges) and forming stars in the disks (like our Milky-Way Galaxy). Other exotic components that have been recently discovered are giant reservoirs of cold diffuse hydrogen, possibly connected to cold streams postulated by theory and never fully confirmed, and intracluster light, probably related to early phases of galaxy interactions and mergers that stand in contradiction with current model predictions. The Euclid satellite, with a strong participation from France and CEA/AIM, will be launched in 2023, and will provide ideal ultra-deep multi-wavelength imaging in the optical and near-IR, together with ancillary data at longer wavelengths, to identify the first generation of galaxy groups and clusters that started forming in the distant Universe and study the different exciting physical phenomena that are occurring in dense environments at early times. The PhD student will join Euclid teams and will lead research into these problematics in collaboration with the group in CEA Saclay.

Alors que l’Univers est en expansion, à une vitesse croissante, la question de savoir ce qui cause l’accélération cosmique n’est pas encore résolue. L’accélération semble agir contre l’attraction gravitationnelle, comme si une nouvelle source d’énergie, l’énergie sombre, en était responsable. De plus, les masses de neutrinos doivent encore être mesurées et dégénèrent avec l'évolution de l'énergie sombre.

Cette proposition de doctorat est destinée à contribuer à la mission spatiale Euclid de l’ESA, qui sera lancé en 2023. L'objetif est de combiner l'information obtenue avec le regroupement des galaxies et le lentillage gravitationnel faible et l'intégrer ensuite dans la vraisemblance validée par le Consortium Euclid.

Le doctorant pourra travailler à l’interface entre les données et la théorie et collaborer concrètement à une grande collaboration comme celle du satellite Euclid. Les objectifs comprennent 1) étendre le logiciel de vraisemblance pour tester l’énergie sombre 2) contribuer à l'effort de collaboration sur la comparaison des prédictions théoriques avec les données et la corrélation croisée entre le regroupement des galaxies et le lentillage gravitationnel faible 3) étudier différents statistiques pour briser la dégénérescence entre les masses de neutrinos et l'évolution de l'énergie sombre.

Les exoplanètes sont maintenant observées en grand nombre et autour d'étoiles aux propriétés variées. Berceaux du développement de la vie, il est essentiel de comprendre les processus physiques conduisant à leur formation mais aussi les conditions initiales qui prévalent lors des toutes premières étapes de leur assemblage afin de contraindre les modèles de genèse planétaire.

Les observations récentes de disques protopanétaires suggèrent que certaines planètes puissent déjà être formées autour d'étoiles très jeunes, seulement un million d'années après le début du processus de formation stellaire: il semble donc crucial d'explorer les phases les plus précoces de la formation des étoiles de type solaire à la recherche des signatures de l'assemblage des poussières en petits planétésimaux.

Récemment, notre équipe a obtenu des premiers indices observationnels que les particules de poussière autour des plus jeunes proto—étoiles de notre Galaxie pourraient déjà avoir évolué de manière significative avec des grains peut-être déjà grands de quelques microns. Si ces résultats sont confirmés, alors le scénario de formation des planétésimaux devra être revisité en prenant en compte l’impact de ces conditions initiales très différentes de celles qui règnent dans les disques autour d’étoiles T-Tauri, lors des premières phase de croissance de la poussière.



Le sujet de thèse s’inscrit dans une approche concertée utilisant observations et modèles pour caractériser la taille des grains de poussières autour de proto-étoiles âgées de seulement quelques centaines de milliers d’années.

Il s'agira d'analyser des jeux de données obtenues avec le radiotélescope ALMA pour mesurer les indices spectraux de l'émission continuum des grains de poussières entourant les protoétoiles de Classe 0 et I.

Des contraintes complémentaires seront obtenues en ondes millimétriques grâce aux données polarimétriques issues d’un grand programme d’observations avec le télescope NOEMA, très sensibles à la taille des plus gros grains de poussière.

La mise en place dans la collaboration d’un nouveau modèle de poussières plus adapté aux phases denses, couplé à un code de transfert radiatif, permettra ensuite de comparer directement ces données observationelles à des prédictions synthétiques issues de modèles MHD d’évolution protostellaire.

Les systèmes binaires X (ou microquasars) représentent d’excellents laboratoires pour tester les phénomènes physiques dans les environnements les plus extrêmes. Composés d’un astre compact (trou noir ou étoile à neutrons) accrétant de la matière d’une étoile compagnon, ils sont observés depuis plusieurs années à diverses longueurs d’onde permettant ainsi de caractériser un ensemble d’activités complexes. Une physique très variée s’ouvre ainsi aux modélisateurs.



Le but de cette thèse sera d'étudier les activités de trous noirs binaires récemment découverts dans notre Galaxie. L'objectif principal est de comprendre les connexions entre processus d’accrétion et d’éjection, mais plus particulièrement de contraindre l’énergie des jets relativistes à partir des mesures calorimétriques faites lors de leurs interactions avec le milieu environnant. La modélisation de telles interactions apporte de nouvelles contraintes sur le bilan énergétique des trous noirs, informations primordiales pour la compréhension de ces systèmes.

Les problèmes de démélange aveugle et semi-aveugle sont des problèmes inverses classiques et omniprésents dans un très large éventail de domaines scientifiques allant du traitement du son, du traitement du signal médical à la télédétection ou à l'astrophysique. Dans ces domaines, le développement rapide de capteurs multispectraux haute résolution/haute sensibilité impose le développement d'outils d'analyse dédiés. Pour ce type de données, les observations peuvent être modélisées comme la combinaison linéaire ou non linéaire de diverses composantes physiques élémentaires, qui doivent être récupérées par l'astrophysicien. Cependant, les méthodes de l'état de l'art souffrent de deux goulots d'étranglement majeurs lorsqu'elles sont confrontées aux applications du monde réel : i) la capacité de récupérer des solutions physiquement interprétables, ii) leur coût de calcul élevé, qui limite largement leur applicabilité. À cette fin, l'objectif de ce travail est d'étudier de nouvelles approches, basées sur l'apprentissage automatique, pour aborder le problème du démélange aveugle et semi-aveugle (lorsque l'on n'a accès à aucune ou seulement à une connaissance partielle des composants à restaurer). Plus précisément, nous avons introduit un nouvel algorithme basé sur des techniques de déroulage pour aborder le démélange supervisé. Nous avons montré que les techniques de déroulage permettent de prendre en compte des informations d'ordre physique pour démélanger les données, ce qui conduit à des solutions plus pertinentes d'un point de vue physique à un coût de calcul très faible. L'objectif est ensuite de généraliser ces travaux antérieurs aux cas plus difficiles de l'aveugle/semi-aveugle, ce qui nécessitera de revoir l'architecture du modèle ainsi que son optimisation. Les résultats seront testés et validés avec des données astrophysiques de rayons X (par exemple Chandra) ainsi que des simulations d'ondes gravitationnelles en préparation de LISA.

L’observatoire spatial LISA, dont le lancement est prévu en 2035 ; sera constitué de trois satellites éloignés de 2.5 millions de kilomètres et permettra la détection directe d’ondes gravitationnelles indétectables par les interféromètres terrestres, ouvrant une nouvelle fenêtre d’observations en astrophysique. Afin de maximiser le potentiel scientifique d’une telle mission, l’analyse des données fera intervenir différentes étapes dont l’une des premières est le « pipeline » d’analyse rapide, dont le rôle est la détection de nouveaux évènements, ainsi que la caractérisation d’évènements. Au-delà de l’intérêt pour LISA, ce pipeline d’analyse à faible latence joue un rôle primordial pour le suivi rapide des évènements détectés par des observations électromagnétiques (observatoires au sol ou spatiaux, des ondes radios au rayons Gamma). Si des méthodes d’analyse rapides ont été développées pour les interféromètres au sol, le cas des interféromètres spatiaux tel que LISA reste un champ à explorer. Ainsi, un traitement adapté des données devra prendre en compte le mode de transmission des données par paquet, nécessitant ainsi la détection d’évènements à partir de données incomplètes, entachées d’artefacts. Ces méthodes devront permettre la détection et la caractérisation d’évènements aussi divers que la fusion de trous noirs, les EMRI (binaires spiralantes de rapport de masses extrême), bursts et binaires d’objects compacts. Tout ceci devant opérer en quasi-temps réel. A cette fin, cette thèse aura pour objectif d’une part la généralisation des méthodes classiques, fondées sur le matched filtering, à l'analyse des données LISA et d’autre part au développement d’une nouvelle approche fondée sur l'apprentissage automatique pour la détection et la caractérisation précoce des fusions de trous noirs. Ces méthodes se feront dans le cadre du consortium LISA et contribueront au développement d’un pipeline d’analyse rapide en France.

La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d'imagerie médicale nucléaire largement utilisée en oncologie et en neurobiologie. La désintégration du traceur radioactif émet des positrons, qui s'annihilent en deux photons de 511 keV. Ces paires de photons sont détectées en coïncidence et utilisées pour reconstituer la distribution de l'activité du traceur dans le corps du patient.

Dans cette thèse, nous proposons de contribuer au développement d’une technologie ambitieuse et 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. La face opposée du cristal sera équipée d'une matrice du photomultiplicateur en silicium. Des techniques d'apprentissage automatique seront appliquées pour traiter les signaux complexes acquis afin de reconstruire le temps et les coordonnées du point de conversion gamma dans le cristal.

Le candidat travaillera sur le développement d'un algorithme d'apprentissage automatique de haute efficacité pour la reconstruction des vertex d’interaction gamma dans le cristal monolithique. En particulier, ce travail consiste d'abord à améliorer la simulation Geant4 du détecteur et à l'ajuster aux caractéristiques du démonstrateur mesurées en laboratoire. Cette simulation sera utilisée pour alimenter une base d’entraînement pour le développement et l'optimisation de réseaux de neurones profonds. Ces algorithmes permettront la reconstruction efficace de l'interaction gamma en utilisant la forme complète du signal et/ou les données pré-traitées (features engineering). Les performances de ces algorithmes de reconstruction seront évaluées sur des données de test réelles acquises avec le démonstrateur ClearMind. Une attention particulière sera portée au développement de réseaux compacts, efficaces et rapides ainsi qu'à une estimation robuste de l'incertitude des paramètres reconstruits dans le contexte d’une IA « de confiance ». La possibilité d'embarquer ces algorithmes dans des FPGA pour une reconstruction en ligne rapide sera étudiée.

En 1975, le CEA a mis en évidence des anomalies isotopiques dans du minerai uranifère sur le site d'Oklo au Gabon. Rapidement, ces anomalies ont été attribuées à la présence de réacteurs nucléaires naturels ayant fonctionné il y a environ 2 milliards d'années.

Indépendamment, et plus récemment, une équipe de chercheurs menée par A. El Albani a découvert dans la vicinité du site d'Oklo des fossiles d'organismes vivants datés également d'environ 2 milliards d'années. La taille, la structure, et la démonstration de la motilité des organismes associés semble désigner une organisation cellulaire de type eucaryote.

Ce travail doctoral propose d’étudier le lien entre les deux événements, en postulant que le milieu uranifère préexistant aux réacteurs, ou les réacteurs eux-mêmes, auraient pu contribuer à l'apparition de ces organismes ou de leur filiation ascendante par un mécanisme de stimulation des mutations génétiques induit par les rayonnements ionisants de ce milieu (ambiance dosimétrique).

Il est proposé d'étudier les effets saillants du couplage entre les états discrets et continus à proximité de divers seuils d'émission de particules en utilisant le modèle en couches dans le plan d'énergie complexe. Ce modèle fournit la formulation unitaire d'un modèle en couches standard dans le cadre du système quantique ouvert pour la description d'états nucléaires bien liés, faiblement liés et non liés. Des études récentes ont démontré l'importance de l'énergie de corrélation résiduelle du couplage aux états du continuum pour la compréhension des états propres, leur énergie et modes de désintégration, au voisinage du canaux de réaction. Cette énergie résiduelle n'a pas encore été étudiée en details. Les études de cette thèse approfondiront notre compréhension des effets structurels induits par le couplage au continuum et apporteront un support aux études expérimentales au GANIL et ailleurs.

Au sein du CEA-IRFU (Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l'Univers), le DACM (Département des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme) est un acteur majeur au niveau national et international dans le domaine des accélérateurs de particules. Il a activement participé à la plupart des projets d'accélérateurs des plus grands centres de recherche du monde ces dernières décennies. Un pan important de ces activités concerne la conception d'accélérateurs, linéaires ou circulaires, pour la physique des hautes énergies ou toute autre application scientifique. Le domaine de la physique des accélérateurs, nécessite des connaissances approfondies en dynamique des faisceaux de particules. Dans cette discipline, le DACM est aussi impliqué dans des nouvelles techniques d'accélération de type laser-plasma, avec l’objectif de concevoir des accélérateurs laser-plasma (ALP) par effet de sillage qui permettront de réduire significativement la taille et les coûts des accélérateurs du futur. Des collaborations avec des partenaires internationaux (EuPRAXIA, CERN-AWAKE) ou nationaux (CNRS-LPGP, CNRS-IJCLab) ont été engagées pour la conception d'ALP dans des configurations et applications variées. Le DACM est actuellement impliqué dans la conception d’un ALP fiable et compacte qui doit servir de source d’électrons pour la collaboration AWAKE. Un tel accélérateur serait une première mondiale. Afin de prouver sa viabilité, l’ALP doit générer des faisceaux reproductibles de haute qualité. Des optimisations physiques et numériques détaillées, de l'injection jusqu'à l'utilisateur final vont devoir être mises en œuvre. Le (la) candidat(e) sera aussi impliqué dans les autres projets d’ALP du DACM.



La thèse portera sur l'étude physique et numérique des sections d'accélération plasma et des lignes de transfert assurant le transport du faisceau entre les différentes sections accélératrices et vers l'utilisateur final. Le cœur des études portera sur le contrôle de la qualité du faisceau de particules (caractéristiques de taille, de divergence, de dispersion en énergie, …) qui résulte de l'interaction laser-plasma et des champs électromagnétiques appliqués. L'intégration optimale des sections d'accélération et de transport sera alors à déterminer. On cherchera à chaque étape à mettre en évidence les principes fondamentaux permettant d'obtenir les paramètres faisceau optimum, puis à les appliquer aux autres projets de conception d’ALP dans lesquels le DACM est impliqué. Des optimisations à l’aide d’algorithme d’apprentissage machine sont également envisagées.



Le succès de ces études est fortement conditionné par une solide compréhension des phénomènes physiques en jeu (espace de phase 6D du faisceau, champ de sillage dans les plasmas soumis à des lasers ultra-intenses, champ multipolaire des électroaimants) et par une bonne utilisation des codes de simulation appropriés.

L’accélérateur linéaire de SPIRAL2 est un accélérateur optimisé pour les ions légers (protons, deutons), mais il permettra également de délivrer des ions plus lourds (O,Ne,Ar,…Ni) notamment pour les recherches associées au spectromètre S3 (Super Séparateur Spectromètre), comme l’étude de nouveaux éléments, les noyaux super-lourds. Le premier objectif est de proposer et d’étudier les méthodes de réglage permettant de régler un faisceau d’ions lourds dans 26 cavités accélératrices indépendantes d’une façon rapide et reproductible.

Le séparateur électromagnétique S3 utilisera les faisceaux du linac pour créer et purifier des ions radioactifs. La complexité de ses aimants supraconducteurs requiert une optimisation de très nombreux paramètres pour réduire les aberrations grâce des corrections hexapolaires et octupolaires.

Les premiers tests de S3 nécessiteront de nombreuses mesures avec faisceau et la mise au point d’un algorithme permettant d’optimiser l’optique pour les 2 modes de fonctionnement. Le deuxième objectif de la thèse est de fournir les outils de calcul au physiciens permettant de préparer leurs expériences et d’ajuster les paramètres du spectromètre lors des expériences.

Le travail de thèse s’appuiera sur des simulations de dynamique faisceaux et sur un travail expérimental nécessitant des mesures avec faisceaux.

Une des meilleures thèses qu'on peut faire aujourd'hui : la physique du boson de Higgs par le biais d'une désintégration rare non encore observée, un processus prévu par le modèle standard crucial pour progresser dans sa compréhension, avec une partie détecteur liée à la fois au sujet de physique et à l'amélioration du détecteur CMS pour la phase à haute luminosité du LHC.



Dans la recherche de compréhension de notre univers, le modèle standard de la physique des particules apparaît comme une approximation à basse énergie d'une théorie plus complète. La découverte du boson de Higgs a apporté une pièce essentielle au puzzle. Toutefois, plusieurs questions restent ouvertes (naturalité, nombre de générations de leptons, asymétrie matière-antimatière dans l'univers, etc.). Une caractérisation précise du boson de Higgs à travers tous ses canaux de désintégration doit permettre d'améliorer notre compréhension du problème.



Cette thèse propose une recherche de la désintégration du boson de Higgs en un boson Z et un photon (Zgamma). Aussi rare que la désintégration en deux photons, elle est plus difficile à observer en raison du faible rapport d'embranchement du boson Z en leptons chargés (électrons et muons). Les désintégrations du boson Z en neutrinos et d'autres états finals pourront probablement être exploitées avec une certaine chance de succès.



La désintégration Zgamma n'a pas encore été observée - seules des limites sur sa probabilité ont été placées - mais elle pourrait être mise en évidence en utilisant l'ensemble des données du Run2 du LHC (2015-2018) ainsi que du Run3, qui vient de démarrer et permettra de doubler la quantité de données avant 2025.



La désintégration Zgamma est liée à d'autres désintégrations du boson de Higgs, qui peuvent aider à la contraindre : la désintégration directe en deux muons plus un photon additionnel irradié dans l'état final, celle en deux bosons Z, celles de type Dalitz en électrons et muons.



Les productions de bosons Z (Drell-Yan) et de paires de bosons vecteurs comme ZZ, ZW et WW, prévues dans le modèle standard, viennent masquer l'état final Zgamma et doivent être prises en compte dans l'analyse : la recherche pour la désintégration Zgamma implique de maîtriser différents processus fondamentaux, ainsi que les modes de production du boson de Higgs.



La thèse inclut aussi une partie expérimentale dont l'objectif est d'optimiser la résolution en temps du calorimètre électromagnétique de CMS (ECAL). Bien que conçu pour des mesures de précision en énergie, le ECAL présente aussi une excellente résolution sur le temps d'arrivée des photons (environ 150 ps en collisions, bien que 70 ps aient été atteintes en test faisceau). Dans un environnement peuplé de photons provenant de collisions parasites (empilement, ou pileup), la connaissance du temps d'arrivée du photon dans l'état final peut contribuer à en contraindre la provenance au vertex de désintégration du boson de Higgs, celui dont sont issus les leptons de désintégration du boson Z.



Cette faculté à exploiter l'information en temps du calorimètre sera une clef pour la phase à haute luminosité du LHC (2029-) quand l'électronique du ECAL sera remplacée pour offrir une résolution en temps encore meilleure (30 ps pour les photons et électrons de haute énergie) et la luminosité du LHC -et le nombre d'évènements superposés - et donc de photons dans l'état final - sera un facteur 5 supérieur à celui du Run 2.



La thèse propose aussi de participer aux shifts de prise de données de CMS et de CMS/ECAL au CERN ainsi qu'aux tests en laboratoire prévus pour valider la nouvelle électronique du ECAL qui vient d'être développée.

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.

Le boson de Higgs découvert au LHC en 2012 constitue la pierre angulaire du Modèle Standard (MS). Ces propriétés, comme sa masse ou son spin, sont aujourd’hui de mieux en mieux connus. Néanmoins la largeur totale du boson de Higgs reste un paramètre fondamental très difficile à mesurer au LHC sans le renfort d’hypothèses théoriques.

Nous nous proposons ici de poursuivre une approche originale pour mesurer ce paramètre, approche uniquement possible dans le canal de désintégration du boson de Higgs en 2 photons. En effet, la position du pic de masse, dans ce canal, dépend de l’interférence entre le signal du boson de Higgs et le bruit de fond. Le décalage ainsi obtenu dépend de la largeur naturelle du boson de Higgs. Ce décalage est très faible dans le MS mais pourrait être plus important en considérant des bosons de Higgs produits à haute impulsion transverse.

Ce type d’analyse requiert une maitrise approfondie des différentes incertitudes reliées à l’appareillage expérimental, en particulier au calorimètre électromagnétique (ECAL), et de la reconstruction des objets électromagnétique. En vue d’améliorer cette dernière, l’étudiant développera une approche nouvelle de reconstruction des objets électromagnétiques basée sur une technique initiée au CEA-Irfu par le groupe CMS et utilisant des méthodes de pointe en intelligence artificielle (Convolutionnal NN et Graph NN).

Ces deux aspects seront abordés en parallèle dans le cadre de cette thèse. L’étudiant sera encadré par le groupe CMS de l’Irfu dont l’expertise dans le ECAL et dans le canal de désintégration du boson de Higgs en deux photons est reconnue internationalement.

Si la découverte du boson de Higgs intervenue au LHC en 2012 est un éclatant succès pour le Modèle Standard de la physique des particules, elle n’apporte aucune réponse à de nombreuses questions toujours ouvertes dans le domaine de la cosmologie et la physique des particules. Parmi celles-ci, on peut mentionner la nature de la matière et de l’énergie noire, l’origine du potentiel de Higgs et le fait que le Modèle Standard n’explique pas de manière satisfaisante les très petites masses des neutrinos. Les solutions naturelles à ces questions pourraient provenir de l’existence de nouveaux types d’interactions et de nouvelles particules.

C’est pourquoi depuis la découverte du boson de Higgs, les efforts 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.



Les expériences LHC disposent de plusieurs techniques et de sous-détecteurs spécialisés pour mesurer la luminosité. Toutefois, ces techniques sont entachées de divers problèmes de stabilité et de linéarité, qui en compliquent l’exploitation.

Lors du run 3 du LHC, qui vient de redémarrer à l’été 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 est maintenant basé sur l’analyse en temps réel des signaux numérisés à la volée, par des batteries de composants programmables.



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. Des études préliminaires menées sur un prototype de la chaîne de déclenchement montrent que la précision de 1% devrait être atteignable. Ces études préliminaires ont été effectuées en utilisant des algorithmes classiques de déconvolution, basés sur la connaissance de la forme théorique du signal. Une voie très prometteuse à explorer est l’utilisation de réseaux de neurones.



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. Avec le système de lecture central, il n’est pas possible de conserver l’information sur plus de quatre ou cinq croisements de faisceaux consécutifs. Le système de déclenchement est quant à lui capable de conserver l’information sur plusieurs dizaines de croisements de faisceaux consécutifs, avec une granularité toutefois plus grossière que le système de lecture central des données. 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 thèse s’inscrit dans le cadre de l’expérience GBAR au CERN, qui vise à mesurer l’accélération gravitationnelle 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. Enfin, un volet de la thèse explorera l’application de ces sections efficaces à l’annihilation des positrons dans le milieu interstellaire.

La thèse se déroulera principalement au CERN. De 2023 à 2025, GBAR recevra du faisceau d’antiprotons et de H– : cette période sera donc consacrée à la préparation et la réalisation des mesures expérimentales. L’année 2026 sera en majorité dédiée à la finalisation du traitement des données et à la rédaction de la thèse.

La désintégration double bêta sans neutrinos (0nbb) est une transition nucléaire très rare qui joue un

rôle clé en physique des (astro)particules pour l'étude de la nature des neutrinos et de la violation du

nombre de leptons. CUPID est une expérience de nouvelle génération proposée pour étudier la 0nbb.

L’analyse et le contrôle du fond radiogénique représentent un enjeu majeur de l’expérience. CUPID

utilise des bolomètres scintillants fonctionnant à des températures de quelques mK. Dans ce travail

de thèse, des prototypes de CUPID seront développés et analysés dans des laboratoires en surface et

souterrains (Laboratoire du Gran Sasso en Italie et de Canfranc en Espagne). Le modèle de fond

radiogénique de CUPID, visant à évaluer la sensibilité de l’expérience à une nouvelle physique, sera

affiné par des simulations à partir des performances expérimentales des prototypes, à l'aide du

paquet GEANT-4 et d'une analyse par arbre de décision boostée. L'objectif global de la thèse est la

définition de la configuration finale de CUPID, basée à la fois sur l'optimisation des modules de CUPID

et sur l'amélioration du modèle de fond radiogénique.

Il y a 10 ans, les collaborations ATLAS et CMS au LHC au CERN découvraient le boson de Higgs, avec 10 fb-1 de collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de 7 à 8 TeV [1,2]. Depuis, les propriétés de cette particule ont été testées par les deux expériences et sont compatibles, dans les incertitudes, avec les propriétés prédites par le Modèle Standard de la physique des particules. Le Modèle Standard (MS) présente néanmoins un certain nombre de limitations, comme l’absence d’explication pour la matière noire par exemple, nous poussant à le considérer comme un modèle effectif à basse énergie, et à chercher à mettre en évidence ses limites. En l’absence de preuve directe de « Nouvelle Physique », accroître la précision des mesures des propriétés du boson de Higgs (son spin, sa parité, et ses couplages aux autres particules) reste un des chemins les plus prometteur.

La mesure de la production associée à une paire de quark top-antitop (ttH) donne un accès direct au couplage de Yukawa du quark top, paramètre fondamental du MS. La production ttH est un processus rare, deux ordres de grandeur plus rare que la production dominante au LHC par fusion de gluons. Ce mode de production a été observé pour la première fois en 2018 [3, 4], séparément par les expériences ATLAS et CMS, et en combinant statistiquement les résultats de recherches dans plusieurs canaux de désintégration. Plus récemment, avec le dataset complet du Run 2 (données prises entre 2016 et 2018 avec un total de 138 fb-1 à 13 TeV), ce mode de production a été observé aussi en utilisant seulement le canal de désintégration en deux photons, et une première mesure de ces propriétés CP a été publiée par les deux expériences avec une exclusion de l’hypothèse couplage CP-impair pur à 3s [5, 6]. La production associé à un quark top unique est de l’ordre de 5 fois plus faible et n’a encore jamais été observée expérimentalement. Grâce aux recherches dans les canaux en deux photons et en leptons multiples, des contraintes très lâches ont été cependant esquissées pour la première fois récemment (see Ref. [7]). Ce mode de production est très sensible aux propriétés CP du couplage H-tt, puisqu’en cas de couplage impair, sa production est augmentée de manière importante. Nous proposons dans cette thèse d’étudier conjointement les deux modes de production (ttH et tH), ainsi que les propriétés CP du couplage H-tt avec les données du Run 3 (données enregistrées en ce moment et jusqu’à 2026, avec potentiellement 250 fb-1 à 13.6 TeV à la fin du Run) dans le canal diphoton. Bien que de premières mesures de la violation de CP dans le secteur du Higgs existent, exclure de petites contributions CP-impaires demandera plus de données et la poursuite de ces études avec le Run 3 pourrait mettre en évidence des déviations du SM. Nous nous proposons dans cette analyse de données d’apporter de nombreuses améliorations à la stratégie générale de l’analyse et d’utiliser de nouvelles méthodes d’apprentissage profond pour la reconstruction des photons et la modélisation des bruits de fond , méthodes développées avec les thèses en cours actuellement dans le groupe mais pas encore utilisées dans les résultats de physique de CMS. Ces améliorations permettront de tirer le meilleur parti de l’échantillon de données dont nous disposerons.

[1] ATLAS Collaboration, “Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC,” Phys. Lett. B 716 (2012) 1.

[2] CMS Collaboration, “Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC,” Phys. Lett. B 716 (2012) 30.

[3] ATLAS Collaboration, “Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector”, Phys. Lett. B 784 (2018) 173.

[4] CMS Collaboration, “Observation of ttH Production”, Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 231801.

[5] CMS Collaboration, “Measurements of ttH Production and the CP Structure of the Yukawa Inter- action between the Higgs Boson and Top Quark in the Diphoton Decay Channel”, Phys. Rev. Lett. 125, 061801.

[6] ATLAS Collaboration, “CP Properties of Higgs Boson Interactions with Top Quarks in the ttH and tH Processes Using H ’ ’’ with the ATLAS Detector” , Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 061802.

[7] CMS Collaboration, “A portrait of the Higgs boson by the CMS experiment ten years after the discovery”, Nature 607 (2022) 60.

Après une période d'exploitation très réussie, couronnée par la découverte du boson de Higgs, le grand collisionneur de hadrons (LHC) va subir une jouvence importante, en particulier pour améliorer sa luminosité. Ainsi, il est prévu de multiplier par dix le taux de collision, ce qui se traduira par un nombre extrêmement élevé de collisions simultanées (lors d’un seul croisement de faisceau). Les détecteurs de particules du LHC seront également modernisés pour faire face à cet environnement difficile. En outre, grâce à une granularité accrue et à une électronique de lecture plus avancée, ils visent à obtenir une meilleure reconstruction des événements, par exemple avec de nouveaux calorimètres à granularité élevée.



Dans ce projet, nous nous proposons de développer un algorithme de reconstruction des particules électromagnétiques et hadroniques à très faible latence pour améliorer le déclenchement des expériences sur collisionneurs hadroniques comme le LHC. Cet algorithme sera basé sur des méthodes d’apprentissage automatique (machine learning) de pointe. Il sera distribué par un grand nombre de composants à faible latence et de grande capacité, ce qui améliorera drastiquement l'efficacité de lecture et la capacité de reconstruction des futures expériences sur collisionneur. Cela aura un impact considérable sur le projet ambitieux des mesures attendues grâce à ces détecteurs colossaux. Nous montrerons l’impact apporté par ce développement dans les mesures de précision des propriétés du boson de Higgs, en se concentrant en particulier sur l’analyse de son auto-couplage.



Le développement d’algorithmes de machine learning avancés sur de l’électronique bas niveau telle que les Field Programmable Gate Arrays (FPGA) est un nouveau domaine émergent et passionnant. Pour accomplir les objectifs de ce projet, nous collaborerons avec d’autres laboratoires et instituts internationaux comme le CERN, Fermilab, CalTech, ce qui comprend des déplacements fréquents vers ces Instituts. Le ou la candidat(e) sélectionné(e) travaillera avec des outils de High Level Synthesis (HLS) pour pousser les réseaux de neurones jusqu’à leurs limites. Il ou elle aura besoin connaître les bases du C++ et de Python ; quelques connaissances sur les systèmes de mesures seraient un plus.

Cette thèse propose de mesurer pour la première fois de manière cohérente les différents processus rares de production de quarks top en association avec des bosons, dans l’état final avec trois leptons chargés au grand collisionneur de hadrons. La thèse sera basée sur l’analyse du grand lot de données collecté et en cours d’acquisition par l’expérience ATLAS. L’analyse conjointe des processus ttW, ttZ, ttH et 4top où un signal est bruit de fond de l’autre permettra pour la première fois d’avoir des mesures complètes et non biaisées de l’état final avec trois leptons.



Ces processus rares, accessibles récemment au LHC, peuvent sonder les modèles expliquant les anomalies actuelles observées en physique de la saveur. Ces anomalies pourraient être les premiers signes de nouvelle physique au-delà du modèle standard de la physique des particules. Le processus ttH rend également possible l’étude directe du couplage entre le quark top et le boson de Higgs, couplage qui pourrait fournir de nouvelles sources d’asymétrie matière-antimatière. Découvrir des signes de nouvelle physique qui dépasse les limitations du modèle standard et en particulier de nouvelles sources d’asymétrie matière-antimatière est une question fondamentale de la physique des particules à l’heure actuelle.

Les scientifiques du CEA/Irfu sont porte-parole d'expériences en cours au Jefferson Lab aux USA, où un faisceau d'électrons de 11 GeV collisionne avec une cible fixe de nature variable (proton, deuterium,...). La haute luminosité permet d'étudier les propriétés des nucléons par des processus rares et ce, avec une haute pécision statistique.

Contrairement aux attentes naïves, il a été prouvé que ce ne sont pas les quarks mais les gluons qui contribuent principalement à la masse et au spin du proton. Par conséquent, il est primordial de caractériser les distributions de gluons pour comprendre l'intéraction forte dont émergent les protons. Tout particulièrement, le connaissance des GPDs de gluons est limitée. Les GPDs sont accessibles par l'étude de processus exclusifs, dont toutes les particules de l'état final sont détectées. Les GPDs de gluon sont contraintes par la production exclusive de méson ’. Cette année, des données sont collectées sur une cible polarisée longitudinalement, fournissant une opportunité unique d'étudier la corrélation entre le spin des gluons et celui du proton. Le but de cette thèse est d'analyser ces données afin d'extraire les asymétries de spin de faisceau, de polarisation de cible et l'asymétrie double faisceau/cible. Le futur doctorant aura l'opportunité de compléter l'analyse de données avec une activité parallèle, le choix allant du développement de détecteur à l'étude phénoménologique avancée.

Pourquoi l'Univers observable aujourd'hui est-il constitué de matière, sans aucune quantité significative d'antimatière ’ Les neutrinos apportent un éclairage sur ce mystère cosmique.

En 2020, la collaboration T2K au Japon a publié dans le journal Nature de nouveaux résultats aboutissant à la meilleure contrainte à ce jour sur le degré d’asymétrie entre matière et antimatière dans les neutrinos. Les résultats de T2K excluent pour la première fois près de la moitié des valeurs possibles à 99.7% de niveau de confiance et la valeur la plus compatible avec les données corresponde à une asymétrie maximale entre la matière et l’antimatière, notemment entre les neutrinos et les antineutrinos. T2K a la meilleure sensitivité mondiale pour cette mesure et va collecter des nouvelles données dés 2023 avec un détecteur amélioré à la recherche d’une possible découverte de violation de symétrie.

T2K est une expérience sur les neutrinos conçue pour étudier le passage des neutrinos (et des antineutrinos) 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 déterminer les propriétés des neutrinos.



Les travaux de la thèse comprendront deux volets: l’analyse des données pour la mesure des oscillation des (anti)neutrinos et 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 de production et d'interaction des neutrinos afin que l'incertitude sur le nombre d'événements prédits à Super-Kamiokande soit réduite à environ 4%.

Dans un premier temps, l’étudiant utilisera les données cosmiques pour aligner les modules de la TPC. Ensuite, il exploitera les premières données pour calibrer la TPC et évaluer ses performances.



L’étudiant travaillera sur l'analyse des nouvelles données de T2K pour mesurer la violation de symétrie entre matière et antimatière dans l'oscillation des neutrinos. La jouvence du détecteur proche nécessitera la mise en place d'une nouvelle stratégie d'analyse. Pour la première fois, la mesure des protons et neutrons de faible impulsion produits par les interactions de neutrinos sera exploitée. En parallèle, une autre partie importante de l'analyse qui doit être revisitée pour faire face à l'augmentation des statistiques, est la modélisation du flux de neutrinos produits par la ligne de faisceau de l'accélérateur.



Une nouvelle génération d'expériences devrait multiplier d'un facteur 20 la production de données dans les prochaines décennies. Au Japon, l’expérience Hyper-K, et aux USA, l’expérience DUNE, seront opérationnelles vers les années 2027-2028. Le travail proposé dans cette thèse ouvrira des nouvelles stratégies d’analyse essentielles pour cette prochaine génération expérience. Si leurs nouvelles données confirment les résultats préliminaires de T2K, les neutrinos pourraient bien apporter avant dix ans une clé pour résoudre le mystère de la disparition de l'antimatière dans notre Univers.

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.

L’étude des noyaux atomiques dits 'déformés' ayant une distribution de charge non sphérique est essentielle pour tester les interactions nucléaires et les modèles de structure du noyau. La quasi-totalité de ces noyaux ont une forme intrinsèque prolate (allongée) et très peu sont de forme oblate (aplatie). Un très faible nombre de noyaux présente une coexistence de formes (par exemple prolate-oblate), phénomène autorisé par la nature quantique du noyau atomique. Un des thèmes de recherche du groupe de structure du noyau du DPhN (Departement de Physique Nucléaire) est de chercher ces noyaux au sein de la carte de Segrè afin de les étudier et d’en caractériser la forme.



AGATA, le multi-détecteur de dernière génération pour le rayonnement gamma, vient d’être installé aux laboratories nationaux de Legnaro (Italie) et permettra de faire un grand pas dans la connaissance de la spectroscopie des noyaux de plus en plus éloignés de la vallée de la stabilité. Notre groupe est fortement impliquée dans l’exploitation de ce détecteur notamment avec des expériences sur la coexistence de formes.

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 VAMOS offre cette opportunité. Le sujet de thèse concerne l’étude de la fission autour du thorium en cinématique inverse auprès le spectromètre VAMOS. Son objectif est la détermination des rendements isotopiques des fragments de fission et de la configuration au point de scission.

Les techniques de physique atomique, et plus spécifiquement les mesures optiques de la structure atomique, permettent d’accéder à des données fondamentales, indépendantes de tout modèle, sur la structure des états nucléaires fondamentaux et isomères. La compétition et l'équilibre entre effets nucléaires dits « de couche » ou « collectifs », se traduisent par une gamme de formes et de tailles au sein des systèmes nucléaires. De telles formes et de telles structures perturbent les niveaux d'énergie atomique des atomes et des ions au niveau du ppm. A ce niveau, les perturbations peuvent être sondées et mesurées par des méthodes de spectroscopie laser. Dans le cadre de la thèse ces mesures sont réalisées au moyen de la spectroscopie laser en source à Jyväskylä et la spectroscopie laser en jet de gaz à S3-LEB. Ces techniques sont adaptées à l'étude des radionucléides de temps de vie court, de quelques millisecondes seulement, avec des taux de production souvent de quelques centaines d'isotopes/isomères par seconde seulement. Les deux laboratoires permettent d'accéder à des régions de la carte des noyaux qui sont actuellement soit inaccessibles pour la majorité des installations, soit difficiles à sonder par spectroscopie en raison de la complexité de la structure atomique. Une de ces régions se situe entre les systèmes réfractaires de Zr (Z = 40) qui présentent des changements de forme nucléaire, et la région dominée par une seule particule autour de Sn (Z = 50). Cette région offre un paysage riche de transitions de formes, de coexistence de formes, et de triaxialité.

# Synopsis



Les collisions d'ions lourds constituent un laboratoire privilégié pour étudier le plasma de quark et de gluons (QGP), un état exotique de la matière qui aurait existé quelques micro-secondes après le Big Bang. Parmi les outils de traque du QGP, les hadrons contenant un quark charmé (comme le méson D0) ont très tôt joué un rôle de premier plan. Produites aux premiers instants de la collision, ces particules traversent/interagissent avec le QPG si celui-ci se forme. Elles en sont alors affectées, et nous renseignent alors sur ce milieu. Ainsi, l'étude de la double production simultanée de charme est sensible aux propriétés de transport du QGP. Cette étude est d'autant plus intéressante qu'elle n'a encore jamais été conduite en collisions ion-ion au LHC. L'atout de LHCb réside dans son appareillage spécialisé dans la détection des particules composées de quarks lourds.



Vers la fin 2023, la collaboration LHCb va engranger une nouvelle moisson de collisions Pb-Pb à haute énergie fournies par le LHC. Ces données seront enrichies par les améliorations de l'appareillage expérimental mises en place lors des derniers upgrades de LHCb. Elles comprennent un nouveau système de trajectographie plus efficace et plus robuste dans l'environnement à fort taux d'occupation de ce détecteur en collisions ion-ion. Combiné à une hausse d'un facteur deux du volume de données enregistrées, cela conduira aux meilleures données Pb-Pb collectées par la collaboration jusqu'ici.





Enfin, une nouvelle phase d'upgrade de LHCb est planifiée pour 2030 avec de nouveaux trajectographes. Parmi les nouveaux détecteurs, l'Upstream Tracker (UT) est la clé pour réduire drastiquement la fraction de fausses traces reconstruites par pur effet combinatoire dans les collisions ion-ion les plus centrales. Le développement de l'UT a déjà débuté, mais le design final reste à définir. En outre, des algorithmes sophistiqués de trajectographie basés sur l'apprentissage automatique pourraient être développés afin d'exploiter au mieux la nouvelle architecture du détecteur et ses capacités améliorées. Au-delà des gains d'efficacité et de performance attendus dans le traitement des données en collisions ion-ion, ce travail bénéficiera aussi à celui en collisions proton-proton, au coeur du programme de physique de la collaboration LHCb.



# Projet de recherche



Le sujet de thèse est divisé en deux parties principales:

- Etude de la section efficace de production de charme double en collisions Pb-Pb avec LHCb: la poursuite de cet objectif implique de participer à la prise de données 2023 en collisions Pb-Pb, d'extraire le signal de ces données et d'étudier les incertitutes associées en utilisant en particulier des simulations. Cette étude pourra disposer des méthodes déjà utilisées par la collaboration sur de précédentes données, mais devra les adapter spécifiquement au cas des collisions ion-ion, le tout en interagissant avec la communauté des théoriciens.

- Participation au projet UT: l'accent sera mis sur le développement du nouvel algorithme de trajectographie. En particulier, la piste du Graph Neural Network dans les stratégies de trajectographie de LHCb sera explorée, en visant une amélioration en terme d'efficacité et de performance à la fois de l'algorithme et des ressources de calcul mobilisées.

Le plutonium est produit dans les réacteurs qui utilisent de l'uranium pour combustible. Le plutonium-239 est produit par capture neutronique sur l'uranium-238 puis double décroissance ß (U-238(n,γ)U-239 --> Np-239 --> Pu-239). Les plutonium-240 et plutonium-241 sont produits par captures successives sur le plutonium-239. En fin de cycle, lorsque le combustible est usé, les isotopes fissiles du plutonium (Pu-239 et Pu-241) contribuent significativement à la production d'énergie. Dans le cas d'un réacteur innovant utilisant du plutonium pour combustible la contribution du Pu-241 est importante dès le début de cycle. Le Pu-241 est mal connu en raison des difficultés inhérentes à son étude, d'une part du fait de sa courte demi-vie (~14 ans) et d'autre part de sa décroissance en Am-241 dont la section de capture très élevée perturbe la mesure. L'Agence pour l'Énergie Nucléaire recommande donc d'améliorer la précision des sections de capture et de fission du Pu-241.

La section de capture du Pu-241 est environ 4 fois plus faible que celle de fission dans le domaine en énergie qui nous intéresse. Afin de réaliser une mesure précise de sa capture il faut donc développer un dispositif permettant de détecter les gammas et d'identifier ceux provenant de la fission. Dans l'expérience proposée auprès de la source de neutrons n_TOF du CERN, les gammas issus des réactions (n,γ) et (n,f) sont détectés par un calorimètre 4pi (TAC – Total Absorption Calorimeter) tandis que les événements de fission sont identifiés par une chambre à fission (CaF) contenant les échantillons de Pu-241 placée au centre du TAC. Cette mesure permettra d’améliorer significativement la précision de la section efficace de capture du Pu-241 tout en apportant des informations complémentaires sur la réaction de fission (gammas prompts et section efficace).

Le doctorant contribuera à la préparation et à la réalisation de l'expérience, ainsi qu'à l'analyse des résultats : simulations du dispositif (TAC + CaF + échantillons Pu), spécification des caractéristiques des échantillons, développement et tests de la chambre à fission, mise en place et mise au point du dispositif à n_TOF, prise de données, réduction des données et analyse des données de fission (gammas prompts et section efficace).

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

La matière hadronique est formée de particules fondamentales, les quarks et les gluons, désignés ensemble sous le terme de partons, dont les interactions sont décrites par la Chromodynamique quantique (QCD). Aujourd’hui, un des défis majeurs est la compréhension et la description de la structure interne des hadrons. En effet, malgré une bonne description de la dynamique des quarks et gluons à haute énergie, plusieurs des propriétés hadroniques élémentaires, telles que la masse et le spin, ne peuvent pas être expliquées en termes de leurs constituants par les calculs de QCD. Des approches phénoménologiques sont ainsi souvent nécessaires afin de fournir un cadre théorique et d’interpréter les observations expérimentales. C’est le cas des Distributions de Partons Généralisées (GPD) et des distributions en moments transverses (TMD), qui offrent une description formelle de la structure partonique du nucléon. Elles permettent ainsi d’accéder à une représentation en 3 dimensions de la structure du nucléon. Elles permettent notamment d’accéder aux distributions spatiales et en impulsion des quarks et des gluons ainsi qu’à accéder aux contributions des partons au spin du nucléon.

Les distributions sont accessibles expérimentalement via les expériences de diffusion d’électrons sur le proton et le neutron (autour de l’accélérateur CEBAF à JLab et l’expérience COMPASS au CERN). Elles sont également accessibles via l’étude des collisions de protons polarisés au sein du collisionneur Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC).

Le nouveau détecteur sPHENIX est en cours d’installation au RHIC et son démarrage est prévu pour le printemps 2023. C’est un appareil de 1000 tonnes auprès duquel travaillent plus de 350 chercheurs. Son programme de physique vise à approfondir la compréhension de la matière soumise à l’interaction forte, soit via l’étude du déconfinement des composants élémentaires, soit via l’étude de la structure interne du nucléon. Les prises de données entre 2023 et 2025 porteront sur les systèmes de collisions pp, p–Au et Au–Au à vsnn = 200 GeV. L’étudiant.e participera au fonctionnement de l’expérience et à l’analyse des données de sPHENIX. L’objectif de cette thèse sera orienté vers l’étude des distributions partoniques au sein du proton dans l’espace des impulsions longitudinaux (TMDs). Ces résultats contribueront à améliorer la compréhension de la structure du nucléon et le confinement des partons.

En 2030, un nouvel accélérateur sera installé au RHIC : le collisionneur électron-ion (EIC). Il permettra de fournir des réponses à certaines des questions les plus fondamentales en physique nucléaire en fournissant des conditions remarquables pour sonder précisément la structure nucléon et l’effet de l’environnement nucléaire sur la dynamique des quarks et des gluons. Il permettra notamment d’accéder à un domaine encore largement inexploré : la limite de saturation des densités gluoniques et d’étudier l’impact de l’environnement nucléaire sur les distributions des quarks et des gluons ainsi que sur leurs interactions. Le CEA est impliqué dans les simulations de physique et dans développement de nouveaux détecteurs innovants de type gazeux. La thèse comportera un volet dédié à l’étude de plusieurs prototypes.

La thèse aura lieu au sein du groupe LSN composés de plusieurs physiciens expérimentateurs et théoriciens.

L'étudiant devra être à l'aise en anglais pour travailler dans le contexte d'une large collaboration internationale scientifique. Iel devra montrer des aptitudes pour les développements hardware et software liés aux détecteurs (C++).

Plusieurs déplacements seront à anticiper, en particulier aux Etats-Unis.

La structure des noyaux doublement magiques est un pilier des études de structure nucléaire. Dans ce projet, nous proposons de revisiter la structure de l’un d’entre eux, le 56Ni, par une nouvelle sonde qui est la production de ce noyau exotique par des neutrons rapides délivrés par l’installation GANIL/SPIRAL2/NFS. La structure du noyau sera étudié par spectroscopie gamma de haute résolution utilisant le détecteur EXOGAM. Ce travail sera pionnier dans l’études de la structure nucléaire combinant pour la première fois des neutrons de hautes énergies, un spectromètre gamma de haute efficacité et les réaction (n,Xn). De plus, ces nouvelles informations spectroscopiques sont également pertinentes pour le formalisme des codes de réaction nucléaire (comme TALYS) et l'évaluation des données nucléaires en générale au sein du réseau CEA-CNRS NACRE soutenu par le programme de recherche multipartenaires NEEDS (https://needs.in2p3.fr). Il s’agit d’un projet expérimental qui permettra à l’étudiant d’acquérir des compétences de pointes en mesures physique par spectroscopie gamma et en neutronique. Enfin, l’étudiant sera en charge d’appliquer pour la première fois au GANIL, une approche FAIR (https://www.panosc.eu/data/fair-principles/) des données qui seront enregistrés. La prise de données est prévue à l’automne 2023.