Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

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.