Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

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.