Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

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

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

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

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

La détermination de l'angle de mélange repose sur une mesure précise de la variation de la section efficace de diffusion d'un faisceau d'électrons, sur une cible d'hydrogène liquide, en fonction de la polarisation du faisceau. Cette asymétrie, mesurée en diffusion vers l'avant, est affecté d'incertitudes systématiques importantes liées à la structure du proton. Une mesure de la diffusion vers l'arrière, à l'aide d'un détecteur dédié, permet de réduire ces incertitudes, et constitue l'objet de cette thèse.

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

La double désintégration bêta sans neutrinol (0n2b) est une transition nucléaire théorique dont l'observation constituerait une étape majeure dans la physique des particules et, en particulier, des neutrinos. Ce processus, s'il existe, viole la loi de conservation du nombre de leptons et confirme la nature de Majorana du neutrino. La détection de 0n2b est une tâche difficile, car il s'agit d'une désintégration très rare (T1/2>10^26 ans), et les expériences nécessitent une grande efficacité de détection, une résolution en énergie, une radiopureté, une grande masse et des niveaux de bruit de fond très faibles. Plusieurs expériences à l'échelle de la tonne sont en préparation, mais en parallèle, de nouvelles approches doivent être étudiées pour obtenir des niveaux de sensibilité plus élevés. Le projet TINY propose une nouvelle technologie de détection, basée sur des détecteurs cryogéniques (mesurés à des températures de l'ordre du mK). Le sujet de thèse sera principalement consacré au développement de nouveaux capteurs thermiques, à la caractérisation de détecteurs contenant du Zr- et du Nd, à l'évaluation des performances et à l'évaluation de l'applicabilité de la technologie pour une expérience à l'échelle de la tonne. L'étudiant développera des compétences sur le fonctionnement des installations cryogéniques, le traitement des signaux, l'analyse des données et les simulations. Enfin, un démonstrateur sera préparé dans le but d'établir de nouvelles limites pour le 0n2b pour le 96-Zr et le 150-Nd, et d'effectuer des mesures de précision de la désintégration du 2n2b.

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

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

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

Le travail principal du doctorant sera de contribuer au développement des algorithmes de reconstruction des données par réseaux neuronaux, principalement en prenant en compte les imperfection des détecteurs (voies manquantes, inhomogénéité des performances, impuretés du gaz, etc...) et en implémentant dans REST les méthodes de correction des données nécessaires pour compenser ces imperfections. Ce travail impliquera l'étude des données de chambres de test, ainsi que de simulations Monte Carlo. D'autre part, dès que les données du premier module seront disponibles le doctorant participera à l'analyse de ces données et à l'extraction des résultats. Les résultats de ces études feront l'objet de publications et de présentations en conférence. L'étudiant pourra aussi participer à une R&D sur l'optimisation des détecteurs Micromegas afin d'améliorer leur résolution en énergie, ainsi que leur fonctionnement à haute pression et en environnement de Xénon gazeux.

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

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

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

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

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

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

La méthode CRAB vise à calibrer de manière absolue les détecteurs cryogéniques utilisés dans les expériences de recherche de matière noire et de diffusion cohérente de neutrinos. Ces expériences ont en commun le fait que le signal recherché est un recul nucléaire de très basse énergie (quelque 100 eV) nécessitant des détecteurs avec une résolution de quelques eV et un seuil de O(10eV). Or jusqu’à présent il était très difficile de générer des reculs nucléaires d’énergie connue pour caractériser la réponse de ces détecteurs. L’idée principale de la méthode CRAB, détaillée ici [1,2], est d’induire une réaction de capture avec des neutrons thermiques (énergie de 25 meV) sur les noyaux constituant le détecteur cryogénique. Le noyau composé résultant a une énergie d’excitation bien connue, l’énergie de séparation d’un neutron, comprise entre 5 et 8 MeV selon les isotopes. Dans le cas où il se désexcite en émettant qu’un seul photon gamma, le noyau va reculer avec une énergie qui est aussi parfaitement connue car donnée par la cinématique à deux corps. Un pic de calibration, dans la gamme recherchée de quelques 100 eV, apparaît alors dans le spectre en énergie du détecteur cryogénique. Une première mesure réalisée, en 2022, avec un détecteur cryogénique en CaWO4 de l’expérience NUCLEUS (expérience de diffusion cohérente de neutrinos portée par TU-Munich et dans laquelle le CEA est fortement impliquée) a permis de valider la méthode [3].

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

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

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

Pourquoi 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 [1] de nouveaux résultats aboutissant à la meilleure contrainte à ce jour sur le paramètre dCP, qui traduit dans la théorie le degré d’asymétrie entre matière et antimatière. Les résultats de T2K excluent pour la première fois près de la moitié des valeurs possibles à 99.7% (3s) et la valeur la plus compatible avec les données est très proche de -90° correspondant à une asymétrie maximale entre la matière et l’antimatière. T2K a la meilleure sensitivité mondiale pour ce paramètre fondamentale et va collecter des nouvelles données dés 2023 avec un détecteur amélioré à la recherche d’une possible découverte de violation de symétrie.
T2K est une expérience sur les neutrinos conçue pour étudier le passage des neutrinos 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 l’analyse des données pour la mesure des oscillation des neutrinos avec un nouveau détecteur proche installé en 2023. L'objectif de ce nouveau détecteur est 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% (contre environ 8 % à ce jour).
L’étudiant travaillera sur la mesure des oscillations des neutrinos avec les nouvelles données de T2K. La jouvence du détecteur proche nécessitera la mise en place d'une nouvelle stratégie d'analyse. Pour la première fois, la mesure des protons et neutrons de faible moment produits par les interactions de neutrinos sera exploitée. En parallèle, une autre partie importante de 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 la production de données dans les prochaines décennies. Au Japon, l’expérience Hyper-K, et aux USA, l’expérience DUNE, seront opérationnelles vers les années 2027-2028. Le travail propose dans cette thèse ouvrira des nouvelles stratégie d’analyse essentielles aussi pour cette prochaine génération expérience. Si leurs nouvelles données confirment les résultats préliminaires de T2K, les neutrinos pourraient bien apporter avant dix ans une clé pour résoudre le mystère de la disparition de l'antimatière dans notre Univers.

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

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

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.

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

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

Cette thèse propose de mesurer de manière cohérente les différents processus rares de production de quarks top en association avec des bosons, dans l’état final avec deux leptons de même signe ou trois leptons chargés au grand collisionneur de hadrons. La thèse sera basée sur l’analyse du lot de données collecté et en cours d’acquisition par l’expérience ATLAS à une énergie record. L’analyse conjointe des processus ttW, ttZ, ttH et 4top où un signal est bruit de fond de l’autre permettra d’avoir des mesures complètes et non biaisées de l’état final avec plusieurs leptons.
Ces processus rares, accessibles récemment au LHC, peuvent sonder les modèles de nouvelle physique pour lesquels le quark top est un outil prometteur, en particulier en utilisant des théories des champs effectives. Découvrir des signes de nouvelle physique qui dépasse les limitations du modèle standard est une question fondamentale de la physique des particules à l’heure actuelle.

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 éventuellement les cameras holographiques dans le visible.

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