Département de Physique Nucléaire

En 1975, le CEA a mis en évidence des anomalies isotopiques dans du minerai uranifère sur le site d'Oklo au Gabon. Rapidement, ces anomalies ont été attribuées à la présence de réacteurs nucléaires naturels ayant fonctionné il y a environ 2 milliards d'années.

Indépendamment, et plus récemment, une équipe de chercheurs menée par A. El Albani a découvert dans la vicinité du site d'Oklo des fossiles d'organismes vivants datés également d'environ 2 milliards d'années. La taille, la structure, et la démonstration de la motilité des organismes associés semble désigner une organisation cellulaire de type eucaryote.

Ce travail doctoral propose d’étudier le lien entre les deux événements, en postulant que le milieu uranifère préexistant aux réacteurs, ou les réacteurs eux-mêmes, auraient pu contribuer à l'apparition de ces organismes ou de leur filiation ascendante par un mécanisme de stimulation des mutations génétiques induit par les rayonnements ionisants de ce milieu (ambiance dosimétrique).

Les développements récents du calcul quantique ouvrent des nouvelles opportunités pour résoudre des problèmes complexes qui ne pourraient pas être résolus à l'aide d'ordinateurs classiques. Notamment, une solution précise des problèmes de physique nucléaire à plusieurs corps nécessite généralement des codes numériques sophistiqués et des ressources de calcul considérables. Dans ce contexte, le projet de thèse proposé vise à explorer l'utilisation des processeurs quantiques basés sur les atomes de Rydberg pour la description de systèmes à plusieurs fermions, en mettant l'accent sur la physique nucléaire.



D’une part, des algorithmes de calcul quantique adaptés pour traiter les fermions qui interagissent entre eux sont en cours de développement [1]. Alors que la mise en œuvre de tels algorithmes sur des émulateurs quantiques devient la norme, tester leur efficacité sur de vraies machines quantiques reste un problème ouvert.



D'autre part, les processeurs quantique (QPU) basés sur la manipulation d'atomes neutres ont été présentés comme l'une des technologies les plus prometteuses pour les simulations quantiques [2]. De telles machines deviennent désormais disponibles pour des applications de recherche fondamentale, offrant ainsi la possibilité d'effectuer de vrais calculs et de jauger les perspectives de la technologie dite Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ).



Ce projet vise à combiner ces développements avec les objectifs suivants :



(a) Mettre en œuvre des algorithmes quantiques existants ou nouveaux sur les QPU à atomes neutres, en explorant les différentes possibilités offertes par la machine et en respectant/exploitant les spécificités des systèmes nucléaires (par exemple, l'utilisation de la rupture et de la restauration de la symétrie, la compréhension de l'intrication et de la transition de phase dans la description des états à plusieurs corps [3]).



(b) Démontrer l'utilité des processeurs quantiques basés sur les atomes de Rydberg pour résoudre des problèmes de physique à plusieurs corps. Il s'agira de sélectionner un ensemble d'applications pilotes représentant des problèmes typiques du domaine et d'appliquer les algorithmes développés pour les résoudre. L'étudiant/étudiante devra comparer les résultats obtenus à l'aide de l'ordinateur quantique avec ceux obtenus à l'aide d'approches traditionnelles pour valider l'efficacité des méthodes proposées.



[1] T. Ayral et al., arXiv :2303.04850 (2023).

[2] L. Henriet et al., Quantum 4, 327 (2020).

[3] D. Lacroix et al, Eur. Phys. J. A 59:3 (2023).

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.

L’étude des noyaux atomiques dits 'déformés' ayant une distribution de charge non sphérique est essentielle pour tester les interactions nucléaires et les modèles de structure du noyau. La quasi-totalité de ces noyaux ont une forme intrinsèque prolate (allongée) et très peu sont de forme oblate (aplatie). Un très faible nombre de noyaux présente une coexistence de formes (par exemple prolate-oblate), phénomène autorisé par la nature quantique du noyau atomique. Un des thèmes de recherche du groupe de structure du noyau du DPhN (Departement de Physique Nucléaire) est de chercher ces noyaux au sein de la carte de Segrè afin de les étudier et d’en caractériser la forme.



AGATA, le multi-détecteur de dernière génération pour le rayonnement gamma, vient d’être installé aux laboratories nationaux de Legnaro (Italie) et permettra de faire un grand pas dans la connaissance de la spectroscopie des noyaux de plus en plus éloignés de la vallée de la stabilité. Notre groupe est fortement impliquée dans l’exploitation de ce détecteur notamment avec des expériences sur la coexistence de formes.

# Synopsis



Les collisions d'ions lourds constituent un laboratoire privilégié pour étudier le plasma de quark et de gluons (QGP), un état exotique de la matière qui aurait existé quelques micro-secondes après le Big Bang. Parmi les outils de traque du QGP, les hadrons contenant un quark charmé (comme le méson D0) ont très tôt joué un rôle de premier plan. Produites aux premiers instants de la collision, ces particules traversent/interagissent avec le QPG si celui-ci se forme. Elles en sont alors affectées, et nous renseignent alors sur ce milieu. Ainsi, l'étude de la double production simultanée de charme est sensible aux propriétés de transport du QGP. Cette étude est d'autant plus intéressante qu'elle n'a encore jamais été conduite en collisions ion-ion au LHC. L'atout de LHCb réside dans son appareillage spécialisé dans la détection des particules composées de quarks lourds.



Vers la fin 2023, la collaboration LHCb va engranger une nouvelle moisson de collisions Pb-Pb à haute énergie fournies par le LHC. Ces données seront enrichies par les améliorations de l'appareillage expérimental mises en place lors des derniers upgrades de LHCb. Elles comprennent un nouveau système de trajectographie plus efficace et plus robuste dans l'environnement à fort taux d'occupation de ce détecteur en collisions ion-ion. Combiné à une hausse d'un facteur deux du volume de données enregistrées, cela conduira aux meilleures données Pb-Pb collectées par la collaboration jusqu'ici.





Enfin, une nouvelle phase d'upgrade de LHCb est planifiée pour 2030 avec de nouveaux trajectographes. Parmi les nouveaux détecteurs, l'Upstream Tracker (UT) est la clé pour réduire drastiquement la fraction de fausses traces reconstruites par pur effet combinatoire dans les collisions ion-ion les plus centrales. Le développement de l'UT a déjà débuté, mais le design final reste à définir. En outre, des algorithmes sophistiqués de trajectographie basés sur l'apprentissage automatique pourraient être développés afin d'exploiter au mieux la nouvelle architecture du détecteur et ses capacités améliorées. Au-delà des gains d'efficacité et de performance attendus dans le traitement des données en collisions ion-ion, ce travail bénéficiera aussi à celui en collisions proton-proton, au coeur du programme de physique de la collaboration LHCb.



# Projet de recherche



Le sujet de thèse est divisé en deux parties principales:

- Etude de la section efficace de production de charme double en collisions Pb-Pb avec LHCb: la poursuite de cet objectif implique de participer à la prise de données 2023 en collisions Pb-Pb, d'extraire le signal de ces données et d'étudier les incertitutes associées en utilisant en particulier des simulations. Cette étude pourra disposer des méthodes déjà utilisées par la collaboration sur de précédentes données, mais devra les adapter spécifiquement au cas des collisions ion-ion, le tout en interagissant avec la communauté des théoriciens.

- Participation au projet UT: l'accent sera mis sur le développement du nouvel algorithme de trajectographie. En particulier, la piste du Graph Neural Network dans les stratégies de trajectographie de LHCb sera explorée, en visant une amélioration en terme d'efficacité et de performance à la fois de l'algorithme et des ressources de calcul mobilisées.

Le plutonium est produit dans les réacteurs qui utilisent de l'uranium pour combustible. Le plutonium-239 est produit par capture neutronique sur l'uranium-238 puis double décroissance ß (U-238(n,γ)U-239 --> Np-239 --> Pu-239). Les plutonium-240 et plutonium-241 sont produits par captures successives sur le plutonium-239. En fin de cycle, lorsque le combustible est usé, les isotopes fissiles du plutonium (Pu-239 et Pu-241) contribuent significativement à la production d'énergie. Dans le cas d'un réacteur innovant utilisant du plutonium pour combustible la contribution du Pu-241 est importante dès le début de cycle. Le Pu-241 est mal connu en raison des difficultés inhérentes à son étude, d'une part du fait de sa courte demi-vie (~14 ans) et d'autre part de sa décroissance en Am-241 dont la section de capture très élevée perturbe la mesure. L'Agence pour l'Énergie Nucléaire recommande donc d'améliorer la précision des sections de capture et de fission du Pu-241.

La section de capture du Pu-241 est environ 4 fois plus faible que celle de fission dans le domaine en énergie qui nous intéresse. Afin de réaliser une mesure précise de sa capture il faut donc développer un dispositif permettant de détecter les gammas et d'identifier ceux provenant de la fission. Dans l'expérience proposée auprès de la source de neutrons n_TOF du CERN, les gammas issus des réactions (n,γ) et (n,f) sont détectés par un calorimètre 4pi (TAC – Total Absorption Calorimeter) tandis que les événements de fission sont identifiés par une chambre à fission (CaF) contenant les échantillons de Pu-241 placée au centre du TAC. Cette mesure permettra d’améliorer significativement la précision de la section efficace de capture du Pu-241 tout en apportant des informations complémentaires sur la réaction de fission (gammas prompts et section efficace).

Le doctorant contribuera à la préparation et à la réalisation de l'expérience, ainsi qu'à l'analyse des résultats : simulations du dispositif (TAC + CaF + échantillons Pu), spécification des caractéristiques des échantillons, développement et tests de la chambre à fission, mise en place et mise au point du dispositif à n_TOF, prise de données, réduction des données et analyse des données de fission (gammas prompts et section efficace).

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 début 2024.

La matière hadronique est formée de particules fondamentales, les quarks et les gluons, désignés ensemble sous le terme de partons, dont les interactions sont décrites par la Chromodynamique quantique (QCD). Aujourd’hui, un des défis majeurs est la compréhension et la description de la structure interne des hadrons. En effet, malgré une bonne description de la dynamique des quarks et gluons à haute énergie, plusieurs des propriétés hadroniques élémentaires, telles que la masse et le spin, ne peuvent pas être expliquées en termes de leurs constituants par les calculs de QCD. Des approches phénoménologiques sont ainsi souvent nécessaires afin de fournir un cadre théorique et d’interpréter les observations expérimentales. C’est le cas des Distributions de Partons Généralisées (GPD) et des distributions en moments transverses (TMD), qui offrent une description formelle de la structure partonique du nucléon. Elles permettent ainsi d’accéder à une représentation en 3 dimensions de la structure du nucléon. Elles permettent notamment d’accéder aux distributions spatiales et en impulsion des quarks et des gluons ainsi qu’à accéder aux contributions des partons au spin du nucléon.

Les distributions sont accessibles expérimentalement via les expériences de diffusion d’électrons sur le proton et le neutron (autour de l’accélérateur CEBAF à JLab et l’expérience COMPASS au CERN). Elles sont également accessibles via l’étude des collisions de protons polarisés au sein du collisionneur Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC).

Le nouveau détecteur sPHENIX est en cours d’installation au RHIC et son démarrage est prévu pour le printemps 2023. C’est un appareil de 1000 tonnes auprès duquel travaillent plus de 350 chercheurs. Son programme de physique vise à approfondir la compréhension de la matière soumise à l’interaction forte, soit via l’étude du déconfinement des composants élémentaires, soit via l’étude de la structure interne du nucléon. Les prises de données entre 2023 et 2025 porteront sur les systèmes de collisions pp, p–Au et Au–Au à vsnn = 200 GeV. L’étudiant.e participera au fonctionnement de l’expérience et à l’analyse des données de sPHENIX. L’objectif de cette thèse sera orienté vers l’étude des distributions partoniques au sein du proton dans l’espace des impulsions longitudinaux (TMDs). Ces résultats contribueront à améliorer la compréhension de la structure du nucléon et le confinement des partons.

En 2030, un nouvel accélérateur sera installé au RHIC : le collisionneur électron-ion (EIC). Il permettra de fournir des réponses à certaines des questions les plus fondamentales en physique nucléaire en fournissant des conditions remarquables pour sonder précisément la structure nucléon et l’effet de l’environnement nucléaire sur la dynamique des quarks et des gluons. Il permettra notamment d’accéder à un domaine encore largement inexploré : la limite de saturation des densités gluoniques et d’étudier l’impact de l’environnement nucléaire sur les distributions des quarks et des gluons ainsi que sur leurs interactions. Le CEA est impliqué dans les simulations de physique et dans développement de nouveaux détecteurs innovants de type gazeux. La thèse comportera un volet dédié à l’étude de plusieurs prototypes.

La thèse aura lieu au sein du groupe LSN composés de plusieurs physiciens expérimentateurs et théoriciens.

L'étudiant devra être à l'aise en anglais pour travailler dans le contexte d'une large collaboration internationale scientifique. Iel devra montrer des aptitudes pour les développements hardware et software liés aux détecteurs (C++).

Plusieurs déplacements seront à anticiper, en particulier aux Etats-Unis.