Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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