Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Le boson de Higgs, découvert en 2012 au LHC, est à l’origine de la brisure de symétrie électrofaible au sein du Modèle Standard (MS). Malgré des études approfondies de ses propriétés, lauto-couplage du boson de Higgs reste inexploré. Ce paramètre est essentiel pour déterminer le potentiel de Higgs et la stabilité du vide de lunivers. L’étude de la production par paires de boson de Higgs est la seule méthode directe pour mesurer cet auto-couplage, et ainsi fournir des informations cruciales sur la structure fondamentale de lunivers et la nature de la transition de phase électrofaible après le Big Bang. La production de di-Higgs a une section efficace très faible dans le MS. Parmi les canaux de détection possibles, létat final avec plusieurs leptons est prometteur en raison de sa signature cinématique unique. Cependant ce canal est complexe à analyser en raison de la nécessité dune identification précise des leptons et de techniques avancées de séparation de signal utilisant l’apprentissage automatique. Ce projet de thèse consiste à rechercher la production de di-Higgs dans le canal multilepton avec les données de l’expérience ATLAS à 13.6 TeV, profitant du grand lot de données enregistrées et de l’augmentation en énergie du Run 3 du LHC, avec pour objectif d’atteindre la sensibilité du MS.

Lastronomie gamma de très haute énergie observe le ciel au-dessus de quelques dizaines de GeV. Ce domaine émergent de l’astronomie est en plein essor depuis le début des années 1990, en particulier, depuis la mise en service en 2004 du réseau de télescopes H.E.S.S. en Namibie. LIRFU/CEA-Paris Saclay est un membre particulièrement actif de cette collaboration depuis ses débuts. Il est également impliqué dans la préparation du futur observatoire CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory) qui est actuellement en phase d’installation. La détection des photons gamma dénergie supérieure à quelques dizaines de GeV permet détudier les processus d’accélération des particules chargées au sein d’objets aussi variés que les vestiges de supernova ou les noyaux actifs de galaxies. Par ce biais, H.E.S.S. vise notamment à répondre à la question centenaire de lorigine des rayons cosmiques.
H.E.S.S. permet de mesurer la direction, lénergie et le temps darrivée de chaque photon détecté. La mesure du temps a permis de mettre en évidence des sources dont le flux présente des variations temporelles importantes ou encore périodiques. Létude de ces émissions variables (transitoires ou périodiques), que ce soit en direction du Centre Galactique ou de noyaux actifs de galaxies (AGN) lointains permet de mieux comprendre les processus démissions à lœuvre au sein de ces sources, de caractériser le milieu dans lequel les photons se propagent mais également de tester la validité de certaines lois physiques fondamentales comme l’invariance de Lorentz. La large gamme déchelles temporelles quil est possible de sonder permet de rechercher et détudier des sursauts ou des variations dans le flux des sources allant de quelques secondes (sursaut gamma, trous noirs primordiaux) à quelques années (systèmes binaires de haute masse, noyaux actifs de galaxie).
Lun des succès majeurs des deux décennies de prise de données de H.E.S.S. a été de conduire à des relevés des ciels galactique et extragalactique aux très-hautes énergies. Ces relevés combinent des observations dédiées à certaines sources,
comme le Centre Galactique ou certains vestiges de supernovæ, mais aussi des observations à l’aveugle pour la découverte de nouvelles sources. Le sujet de thèse proposé ici porte sur un aspect de l’étude des sources qui reste à explorer : la recherche et létude de la variabilité des sources de très hautes énergies. Pour les sources variables, il est également intéressant de corréler la variabilité dans d’autres domaines de longueurs d’onde. Finalement le modèle de la source peut aider à prédire son comportement, par exemple ses « états hauts » ou ses sursauts.

Les amas de galaxies, situés aux nœuds de la toile cosmique, sont les plus grandes structures de l’Univers liées par la gravitation. Leur nombre et leur distribution spatiale sont très sensibles aux paramètres cosmologiques, comme la densité de matière dans l’Univers. Les amas constituent ainsi une sonde cosmologique performante. Elle a fait ses preuves ces dernières années (sondages Planck, South Pole Telescope, XXL, etc.) et promet de grandes avancées les prochaines années (sondages Euclid, Observatoire Vera Rubin, Simons Observatory, CMB-S4, etc.).
Le pouvoir cosmologique des amas de galaxies s’accroît avec la taille de l’intervalle de décalage vers le rouge (redshift z) couvert par le catalogue. Planck a détecté les amas les plus massifs de l’Univers dans 0 Seules les expériences étudiant le fond diffus cosmologique pourront observer le gaz chaud dans ces premiers amas à 2 Il faut donc essayer de comprendre et modéliser l’émission du gaz des amas en fonction du redshift, mais aussi celle des galaxies radio et infrarouge qu’ils contiennent pour pouvoir préparer la détection des premiers amas de galaxies de l’Univers.
L’Irfu/DPhP a développé les premiers outils de détection d’amas de galaxies dans les données du fond diffus cosmologique dans les années 2000. Ces outils ont été utilisés avec succès sur les données Planck et sur les données sol, comme celles de l’expérience SPT. Ils sont efficaces pour détecter les amas de galaxies dont l’émission est dominée par le gaz mais leur performance est inconnue dans le cas où l‘émission par les galaxies radios et infrarouges est importante.
Le travail de thèse consistera dans un premier temps à étudier et modéliser les émissions radio et infrarouge des galaxies des amas détectés dans les données du fond diffus cosmologique (Planck, SPT et ACT) en fonction du redshift.
Dans un second temps, on quantifiera l’impact de de ces émissions sur les outils de détection d’amas existants, dans le domaine de redshift actuellement sondé (0 Enfin, à partir de notre connaissance acquise sur ces émissions radio et infrarouge des galaxies dans les amas, on développera un nouvel outil d’extraction d’amas destiné aux amas à grand redshift (2 Le doctorant rejoindra les collaborations Simons Observatory et CMB-S4.

L'objectif de ce projet de doctorat est de développer une nouvelle analyse conjointe de la distribution des galaxies mesurées par l'instrument DESI et de la mesure de Planck PR4/ACT de lentillage du fonds diffus cosmologique (CMB), en se basant sur des simulations numériques des relevés et les méthodes d'apprentissage automatique et les techniques d'inférence statistique les plus modernes. L'objectif est de surmonter les approches traditionnelles et d'améliorer la récupération des paramètres cosmologiques.
cosmologiques. L'inférence jointe des données de DESI et de Planck/ACT améliorera de manière significative les contraintes sur la croissance de la structure par rapport aux analyses DESI uniquement et de raffiner plus encore les tests de la relativité générale.

Le projet de thèse proposé s’inscrit dans l’étude des oscillations des neutrinos, un phénomène quantique clé pour explorer la Nouvelle Physique au-delà du Modèle Standard. Ces oscillations, comparées entre neutrinos et antineutrinos, pourraient apporter des éclaircissements sur lune des questions les plus fondamentales de la physique des particules : lorigine de lasymétrie matière-antimatière dans lUnivers.

L’expérience T2K, située au Japon, étudie ces oscillations en générant un faisceau intense de neutrinos (et antineutrinos) muoniques. Ce faisceau est mesuré à deux endroits : un détecteur proche, utilisé pour réduire les incertitudes systématiques liées au flux de neutrinos et aux modèles d’interaction, et un détecteur lointain (Super-Kamiokande), chargé de mesurer la disparition des neutrinos muoniques et l’apparition des neutrinos électroniques après oscillations.

Le projet de thèse se divise en deux parties. La première consistera à calibrer les nouveaux détecteurs (nouvelles chambres à projection temporelle utilisant la technologie MicroMegas resistive) pour mesurer le spectre en énergie des neutrinos et à évaluer les incertitudes systématiques associées. La seconde partie portera sur l’analyse des nouvelles données collectées, permettant d’obtenir des mesures plus précises des paramètres doscillation, daméliorer la compréhension des interactions neutrino-noyau, et de mesurer la violation de CP dans les oscillations des neutrinos avec une précision de 3 sigma dans le cas d’une violation maximale, comme l’indiquent les derniers résultats de T2K, et à terme 5 sigma dans la future expérience Hyper-Kamiokande, qui utilisera le même faisceau et le même détecteur proche que T2K.

Neutrinoless double beta decay (0nßß) represents a pivotal area of research in nuclear physics, offering profound insights into neutrino properties and the potential violation of lepton number conservation. The CUPID experiment is at the forefront of this investigation, employing advanced scintillating bolometers at cryogenic temperatures to minimize radioactive background noise. It aims to achieve unprecedented sensitivity in detecting 0nßß decay using lithium molybdate (Li2MoO4) crystals. These crystals are particularly advantageous due to their scintillation properties and the high Q-value of the decay process, which lies above most environmental gamma backgrounds. In turn this endeavour will require operating a fine grained array of 1596 dual heat/light detectors with excellent energy resolution. The proposed thesis integrates artificial intelligence (AI) techniques to enhance data analysis, reconstruction, and modeling for the CUPID experiment demonstrators and the science exploitation of CUPID.

The thesis will focus on two primary objectives:
1. Improved Time Series Event Reconstruction Techniques
- CNN based denoising and comparison against optimal classical techniques
2. Multivariate science analysis of a large neutrino detector array
- Analysis of Excited States: The study will use Geant4 simulations together with the CUPID background model as training data to optimize the event classification and hence science potential for the analysis of 2nßß decay to excited states.

Les neutrinos sont des messagers prometteurs pour détecter de la physique au-delà du Modèle Standard. Leur nature mystérieuse et leur masse encore inexpliquée suggèrent quils pourraient révéler de nouvelles voies pour la physique. Les recherches sur les oscillations de neutrinos sont entrées dans une phase de précision avec des expériences comme T2K, qui, en 2020, a observé des indices de violation de CP dans le secteur leptonique, susceptibles d’apporter des réponses à la question de l’asymétrie matière-antimatière dans l’Univers.

Lexpérience T2K, qui se déroule au Japon, mesure les oscillations de neutrinos en produisant un faisceau intense de neutrinos (et antineutrinos) muoniques. Ce faisceau est analysé à deux emplacements : un détecteur proche, conçu pour contraindre les incertitudes systématiques associées au flux de neutrinos et aux modèles dinteraction, et un détecteur lointain (Super-Kamiokande), qui permet de mesurer la disparition des neutrinos muoniques ainsi que lapparition des neutrinos électroniques à la suite des oscillations.
En 2023, T2K a entamé sa seconde phase avec une puissance de faisceau accrue et des améliorations du détecteur proche ND280, incluant une nouvelle cible hautement segmentée et des chambres à projection temporelle à grands angles (HA-TPC). Ces améliorations permettent une reconstruction plus précise des particules produites par les interactions de neutrinos.

Les équipes de lIRFU ont contribué en développant des HA-TPC équipées de la technologie Micromegas résistive. Ces travaux améliorent la résolution spatiale et la précision du moment des particules. La thèse explore loptimisation des algorithmes de reconstruction des trajectoires des particules dans les HA-TPC grâce à des techniques avancées, ainsi que lanalyse des données T2K avec le ND280 amélioré afin datteindre un niveau de significance de 3 sigma sur la violation de CP. T2K prépare ainsi le terrain pour les expériences futures comme DUNE et Hyper-Kamiokande, ouvrant de nouvelles perspectives pour les deux prochaines décennies.

L'objectif de la thèse est une mesure précise de la masse et de la largeur du boson W, en étudiant ses desintegrations leptoniques avec le détecteur ATLAS au LHC. L'analyse sera basée sur l'ensemble des données du Run 2 du LHC, et vise une précision sur la masse de 10 MeV.

Le candidat s'impliquera dans l'étude de l'alignement et de la calibration du spectromètre à muons d'ATLAS. L'IRFU a joué un rôle prépondérant dans la conception et la construction de cet instrument et s'implique fortement dans son exploitation scientifique. Il s'agira de combiner de manière optimale la mesure donnée par le spectromètre avec celle du détecteur interne d'ATLAS, à l'aide d'un modèle précis du champ magnétique et du positionnement relatif de ces systèmes, afin de reconstruire la cinématique des muons avec la précision requise pour la mesure.

La deuxième phase du projet consiste à améliorer la modélisation du processus de production et de désintégration des bosons W et d'optimiser l'analyse en tant que telle afin de minimiser l'incertitude finale de la mesure. Le résultat de la mesure sera combiné avec les autres mesures existantes, et interprété en termes de compatibilité avec la prédiction du Modèle Standard ou comme indication de la présence de nouvelle physique.

La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d'imagerie médicale nucléaire largement utilisée en oncologie et en neurobiologie.
Nous vous proposons de contribuer au développement d’une technologie ambitieuse et brevetée : ClearMind. Le premier prototype est à nos laboratoires. Ce détecteur de photons gamma utilise un cristal monolithique de PbWO4, dans lequel sont produits des photons Cherenkov et de scintillation. Ces photons optiques sont convertis en électrons par une couche photo-électrique et multipliés dans une galette à microcanaux. Les signaux électriques induits sont amplifiés par des amplificateurs gigahertz et numérisés par les modules d'acquisition rapide SAMPIC. La face opposée du cristal sera équipée d'une matrice de photo-détecteur en silicium (SiPM).
Vous travaillerez dans un laboratoire d’instrumentation avancé dans un environnement de physique des particules.
Il s’agira d’abord d’optimiser les « composants » des détecteurs ClearMind, pour parvenir à des performances nominales. Nous travaillerons sur les cristaux scintillants, les interfaces optiques, les couches photo-électriques et les photo-déteceturs rapides associés, les électroniques de lectures.
Il s’agira ensuite de caractériser les performances des détecteurs prototypes sur nos bancs de mesure en développement continu.
Il s’agira enfin de confronter les propriétés mesurées de nos détecteurs à des simulations dédiées (Monté-Carlo sur logiciels Geant4/Gate).
Un effort particulier sera con-sacré au développement de cristaux scintillants ultra-rapides dans le contexte d’une collaboration européenne.

Depuis la découverte du boson de Higgs (H) en 2012 par les expériences ATLAS et CMS, et après un peu plus de 10 ans passés à étudier ses propriétés, en particulier grâce aux larges ensembles de données du Run 2 du LHC collectés par les deux collaborations entre 2015 et 2018, tout semble indiquer que nous avons finalement complété le Modèle Standard (MS), tel qu’il avait été prédit il y a soixante ans. Cependant, malgré le succès de cette théorie, de nombreuses questions restent sans réponse, et des études approfondies du secteur scalaire du MS pourraient nous donner des indices pour les aborder.

L'étude de la production double de bosons de Higgs (HH) suscite actuellement un intérêt particulier dans la communauté de physique des hautes énergies, car elle constitue le meilleur moyen expérimental d'accéder à l'auto-couplage du H, et par conséquent au potentiel de Higgs V(H). Grâce à ses liens directs avec la transition de phase électrofaible (EWPT), la forme de V(H) revêt une importance particulière pour les modèles au-delà du Modèle Standard (BSM) qui tentent, par exemple, d'expliquer la baryogenèse primordiale et l'asymétrie entre la matière et l'antimatière dans notre univers. Certaines de ces modèles prédisent un secteur scalaire étendu, impliquant l'existence de bosons de Higgs additionnels, souvent interagissant de manière privilégiée avec le H du MS.

Le groupe CMS du CEA-Saclay/IRFU/DPhP souhaite donc proposer une thèse sur la recherche de la production HH résonante, se focalisant sur le canal H(bb)H(tautau), dans l'objectif de contraindre les modèles en question, et impliquant pour la première fois une caractérisation complête du signal BSM et de ses interférences avec le MS. L’étudiant(e) sélectionné(e) prendra part à des activités de recherche déjà bien établies au sein de la collaboration CMS, et du groupe du CEA, en lien avec plusieurs instituts en France et à l’étranger.