Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

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

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

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

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

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

Cette proposition vise à développer et améliorer les futures performances de trajectographie de lexpérience LHCb au Grand collisionneur de hadrons (LHC) via l’étude de divers algorithmes basés sur lapprentissage machine automatique. Parmi les systèmes de trajectographie de LHCb, le sous-détecteur Upstream Tracker (UT) joue un rôle crucial dans la réduction du taux de fausses traces reconstruites dès les premières étapes du processus de reconstruction. Dans loptique de pouvoir mener à bien les futures études de désintégrations rares de particules, la violation CP dans le Modèle standard, et létude du plasma de Quark et Gluon dans les collisions Pb-Pb, une trajectographie précise dans LHCb est obligatoire.

Avec les mises à jour du détecteur prévues dici 2035 et laugmentation anticipée des taux de données, les méthodes de trajectographie traditionnelles risquent de ne pas répondre aux exigences computationnelles, notamment dans les collisions noyau-noyau où des milliers de particules sont produites. Durant la thèse, nous explorerons une gamme de techniques basées sur lapprentissage machine automatique, comme celles déjà appliquées avec succès dans le Vertex Locator (VELO) de LHCb, pour améliorer la performance de trajectographie de lUT. En appliquant des méthodes variées, nous visons à améliorer la reconstruction des trajectoires aux premiers stades de la reconstruction, accroître lefficacité de trajectographie et réduire le taux de fausses traces. Parmi ces techniques, les réseaux de neurones graphiques (Graph Neural Networks, GNN) représentent une option particulièrement prometteuse grâce à lexploitation des corrélations spatiales et temporelles des hits du détecteur.

Cette exploration de nouvelles méthodes impliquera des développements adaptés au matériel hardware, qu’il s’agisse de GPU, CPU ou FPGA, tous potentiellement présent dans larchitecture de reconstruction du futur LHCb. Nous comparerons les différents algorithmes par rapport aux méthodes de trajectographie actuelles afin de quantifier les améliorations en termes de performance, de scalabilité et defficacité computationnelle. De plus, nous prévoyons d’intégrer les algorithmes les plus performants au sein du logiciel de LHCb de de garantir leur compatibilité avec les pipelines de données existants.

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

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

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

La synthèse des noyaux superlourds est un objectif majeur de la Physique Nucléaire moderne qui dépend de leur identification en masse et en charge. S3 et SIRIUS permettent de séparer les isotopes superlourds et vont être équipés de détecteurs de rayons-X pour l’indentification en Z. Le ou la Doctorant.e développera des détecteurs de rayons-X pour SIRIUS et les utiliser pour étudier les noyaux superlourds. Elle/Il travaillera au GANIL et dans des laboratoires internationaux comme ANL.

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

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

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

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

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

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

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

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.