Département de Physique Nucléaire

En collaboration avec le laboratoire Thomas Jefferson (JLab) aux USA, les scientifiques du Laboratoire de structure du nucléon à l'Irfu cherchent à comprendre comment quarks et gluons s'assemblent pour former les hadrons tels que les protons, les neutrons et les pions. A JLab, un faisceau d'électrons de 11 GeV est envoyé sur une cible de protons. Ces protons sont constitués de trois quarks avec un nuage de paires quark/antiquark portant les mêmes nombres quantiques que le pion. Les électrons du faisceau vont interagir avec ces paires quark/antiquark, nous permettant de sonder leur structure assimilable à un pion. Plus précisément, nous nous intéresserons à la diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) renseignant sur les corrélations entre impulsion longitudinale et position transverse des quarks dans un pion. En d'autres termes, nous effectuerons la toute première étude tri-dimensionnelle de la structure d'un pion. Le/la doctorante analysera les données déjà collectées de CLAS12 afin d'isoler les collisions DVCS. Nous développerons un jumeau numérique de la chaîne simulation Geant4/reconstruction avec un conditional Generative Adversarial Network qui nous permettra de caractériser plus rapidement et plus justement le bruit de fond afin de le soustraire plus efficacement. Le doctorant voyagera deux à trois fois par an au JLab afin de participer aux prises de données en cours et au meeting de collaboration. Les résultats seront présentés en conférence internationale et publiés dans des journaux scientifiques.

La collaboration PandaX-III propose de déterminer si le neutrino est une particule de Majorana, c'est-à-dire sa propre antiparticule. Dans ce but cette collaboration internationale, à laquelle participe l'institut de recherche sur les lois fondamentales de l'univers (IRFU) du CEA Saclay, veut mettre en évidence des doubles désintégrations bêta du Xénon 136 sans émission simultanée de neutrino, où l'apparition des deux électrons n'est pas compensée par l'émission de deux anti-neutrinos. Une telle découverte violerait le principe de conservation du nombre leptonique, en contradiction avec le Modèle Standard de la physique des particules. Cette recherche d'événements rares nécessite l'utilisation d'une énorme quantité de Xénon 136, un site expérimental profond protégé des rayons cosmiques et non radioactif, le laboratoire souterrain de Jinping (CJPL, province du Sichuan, Chine), et une détection de très haute performance. La première phase de l'expérience vise à construire un premier module TPC (chambre à projection temporelle) de 145kg de Xénon, qui sera plus tard suivi de quatre autres modules de 200kg. Les TPC seront dotées de détecteurs capables de mesurer l'énergie des deux électrons bêta avec une excellente précision. Le premier module TPC sera mis en service vers la fin 2024. Le parcours des deux électrons émis lors de la désintégration double-bêta sera alors reconstruit afin de mesurer l'énergie initiale de ces électrons et de reconnaître la topologie de leurs trajectoires et de les différencier des événements de bruit de fond gammas qui n'émettent qu'un seul électron. Ce module sera équipé de détecteurs gazeux Micromegas qui présentent une bonne résolution en énergie et une très bonne radio-pureté limitant la présence de bruits de fond gammas de contamination radioactive.

La collaboration PandaX-III est en train de compléter la construction du premier module TPC. Celui-ci sera installé sur place au CJPL au cours de l'année 2024. Des algorithmes de reconstruction des données des détecteurs par réseaux neuronaux sont en cours de développement, afin de compléter les méthodes analytiques déjà implémentées dans l'environnement de reconstruction et d'analyse de données REST pour optimiser la sélection des événements double-bêta par rapport aux bruits de fond gammas et la qualité de la reconstruction de l'énergie des électrons. Ces algorithmes sont entraînés et testés au fur et à mesure sur des données Monte-Carlo. Les données d'un prototype de TPC de taille réduite seront aussi disponibles pour des tests des algorithmes en conditions réelles. Dès l'installation du premier module fin 2024 ces algorithmes seront utilisés pour la calibration des détecteurs et leur prise en compte dans l'analyse, et pour l'extraction des premiers résultats de physique sur la production des événements de désintégration double-bêta.

Le travail principal du doctorant sera de contribuer au développement des algorithmes de reconstruction des données par réseaux neuronaux, principalement en prenant en compte les imperfection des détecteurs (voies manquantes, inhomogénéité des performances, impuretés du gaz, etc...) et en implémentant dans REST les méthodes de correction des données nécessaires pour compenser ces imperfections. Ce travail impliquera l'étude des données de chambres de test, ainsi que de simulations Monte Carlo. D'autre part, dès que les données du premier module seront disponibles le doctorant participera à l'analyse de ces données et à l'extraction des résultats. Les résultats de ces études feront l'objet de publications et de présentations en conférence. L'étudiant pourra aussi participer à une R&D sur l'optimisation des détecteurs Micromegas afin d'améliorer leur résolution en énergie, ainsi que leur fonctionnement à haute pression et en environnement de Xénon gazeux.

Un stage de Master 2 de 4 à 6 mois pourra être effectué préalablement à cette thèse au sein du groupe PandaX-III du DPhN.

Cette thèse se concentre sur la mesure de la polarisation des hyperons Lambda dans des processus profondément virtuels de production exclusif de mesons. L'étude est ancrée dans une découverte surprenante des années 1970 : lors de collisions proton-béryllium, les hyperons Lambda ont montré une polarisation transverse, remettant en question les prédictions de la chromodynamique quantique perturbative. Des polarisations similaires ont depuis été observées dans divers systèmes de collisions.
Le sujet de recherche proposé exploite des réactions exclusives profondément virtuelles dans la diffusion électron-proton, ce qui permet un contrôle précis des états finaux et des polarisations initiales des particules. Plus précisément, la réaction e+p->e+Lambda+K+ est explorée pour éclairer la polarisation des hyperons Lambda. Ce processus est également sensible aux distributions généralisées de partons de transversité (GPD), encore très peu connues du nucléon, offrant des informations précieuses sur les propriétés du nucléon.
La thèse vise à analyser les données collectées avec l'expérience CLAS12 au Jefferson Laboratory (JLab, USA), en se focalisant sur les collisions e-p avec une cible NH3 polarisée longitudinalement. Des algorithmes d'apprentissage automatique et des simulations seront utilisés pour améliorer la reconstruction des données et la sélection des candidats d'événements. Le candidat contribuera également aux études de simulation pour les futurs détecteurs et leurs algorithmes de reconstruction pour l'Electron Ion Collider (EIC).
La recherche sera menée au sein du Laboratoire de Structure Nucléaire de CEA/Irfu. Des connaissances en physique des particules, en informatique (C++, Python) et une connaissance des détecteurs de particules sont souhaitable pour un démarrage rapide de l'analyse des données.
L'étudiant.e aura l'opportunité de collaborer avec des chercheurs locaux et internationaux, de participer à la collaboration CLAS, de rejoindre le groupe d'utilisateurs de l'EIC avec des voyages fréquents aux États-Unis pour la collecte de données et des workshops, et de présenter les résultats de sa recherche lors de conférences internationales.

Au grand collisionneur de hadrons (LHC) à Genève, des collisions de noyaux de plomb sont utilisées pour créer un système thermodynamique décrit par la dynamique des fluides sous des conditions extrêmes. La température du système est suffisamment grande pour relâcher les blocs fondamentaux de la matière à une échelle subnucléonique, les quarks et les gluons. Cet état de la matière est nommé le plasma de quarks et de gluons (PQG). L´évolution de l´espace-temps des collisions d´ions lourds au LHC est décrite par l´hydrodynamique d´un fluide presque parfait après une durée très courte. Néanmoins, des aspects clés des premières phases de ces collisions sont largement inconnus. Les caractéristiques sont cruciales pour la compréhension de l´applicabilité de l´hydrodynamique et pour la compréhension de la thermalisation de la matière en interaction forte. Dans des publications récentes, il a été mis en évidence que la production des dileptons dans la gamme de masse intermédiaire entre 1.5 GeV/c² et 5 GeV/c² est hautement sensible à l´échelle temporelle de la ´thermalisation´ vers le PQG à l´équilibre.

En plus, le LHC fournit des faisceau de protons et d´ions lourds de haute énergie. Ils permettent d´accéder à la structure hadronique des projectiles à des fractions d´impulsion très petites et, en même temps, à des échanges de quadri-impulsions relativement grands. Cette configuration permet donc de conduire des calculs perturbatifs qui nous autorisent à accéder à l´information de structure hadronique à très basse impulsion longitudinale. Le processus théoriquement le mieux compris dans des collisions hadroniques est la production des paires de dileptons, le processus Drell-Yan. Par contre, jusqu´à présent, il n´y a pas eu de mesure descendant jusqu´aux masses de 3 GeV/c² à un collisionneur de hadrons malgré la motivation théorique de tester les partons avec des fractions d´impulsion longitudinale faible. En effet, à des masses en dessous d´environ 30 GeV/c², des désintégrations semileptoniques de hadrons de saveurs lourdes commence à dominer la production des dileptons. Ce processus a occulté chaque tentative d´extraire la production des dileptons dans cette région cinématique.

Le premier but de la thèse est la première mesure de la production de dimuons Drell-Yan à des masses invariantes basses au LHC dans des collisions proton-proton qui vont être prises en 2024. Le mesure sera basée sur des techniques de suppression de bruits de fonds novatrices grâce à la géométrie à l´avant de LHCb. Dans une deuxième partie, la faisabilité de la mesure dans des collisions d´ions lourds sera investiguée dans les configurations présentes et futures du détecteur de LHCb.

La méthode CRAB vise à calibrer de manière absolue les détecteurs cryogéniques utilisés dans les expériences de recherche de matière noire et de diffusion cohérente de neutrinos. Ces expériences ont en commun le fait que le signal recherché est un recul nucléaire de très basse énergie (quelque 100 eV) nécessitant des détecteurs avec une résolution de quelques eV et un seuil de O(10eV). Or jusqu’à présent il était très difficile de générer des reculs nucléaires d’énergie connue pour caractériser la réponse de ces détecteurs. L’idée principale de la méthode CRAB, détaillée ici [1,2], est d’induire une réaction de capture avec des neutrons thermiques (énergie de 25 meV) sur les noyaux constituant le détecteur cryogénique. Le noyau composé résultant a une énergie d’excitation bien connue, l’énergie de séparation d’un neutron, comprise entre 5 et 8 MeV selon les isotopes. Dans le cas où il se désexcite en émettant qu’un seul photon gamma, le noyau va reculer avec une énergie qui est aussi parfaitement connue car donnée par la cinématique à deux corps. Un pic de calibration, dans la gamme recherchée de quelques 100 eV, apparaît alors dans le spectre en énergie du détecteur cryogénique. Une première mesure réalisée, en 2022, avec un détecteur cryogénique en CaWO4 de l’expérience NUCLEUS (expérience de diffusion cohérente de neutrinos portée par TU-Munich et dans laquelle le CEA est fortement impliquée) a permis de valider la méthode [3].

Le travail de cette thèse s’inscrit dans la deuxième phase de ce projet qui consiste à réaliser des mesures de haute précision avec un faisceau de neutrons thermiques du réacteur TRIGA-Mark-II à Vienne (TU-Wien, Autriche). Deux approches complémentaires seront menées de front pour atteindre une haute précision : 1/ la configuration du détecteur cryogénique sera optimisée pour une très bonne résolution en énergie, 2/ de larges cristaux de BaF2 et de BGO seront placés autour du cryostat pour une détection en coïncidence du recul nucléaire dans le détecteur cryogénique et du rayon gamma qui a induit ce recul. Cette méthode de coïncidence réduira significativement le bruit de fond et permettra d’étendre la méthode CRAB à un plus large domaine d’énergie et aux matériaux constitutifs de la plupart des détecteurs cryogéniques. Nous attendons de ces mesures une caractérisation unique de la réponse des détecteurs cryogéniques, dans un domaine d’intérêt pour la recherche de la matière noire légère et la diffusion cohérente de neutrinos. La haute précision permettra également l’ouverture d’une fenêtre de sensibilité à des effets fins couplant de la physique nucléaire (temps de désexcitation du noyau) et de la physique du solide (temps de recul du noyau dans la matière, création de défauts cristallins lors du recul d’un noyau) [4].

L’étudiant(e) sera fortement impliqué dans tous les aspects de l’expérience : la simulation, l’installation sur site, l’analyse et l’interprétation des résultats obtenus.

Quelques micro-secondes après le Big Bang l’Univers se trouvait dans un état de plasma de quarks et de gluons (QGP). Cet état, prédît par la Chromodynamique Quantique, la théorie de l’interaction forte, est atteint pour des températures ou des densités d’énergie très élevées. Ces conditions sont réunies dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes au LHC au CERN.
Parmi les différentes observables du QGP, l’étude de la production d’hadrons contenant des quarks lourds (c ou b) et des quarkonia (états liés c-cbar ou b-bbar) est particulièrement pertinente pour comprendre les propriétés du QGP. En effet, les quarks lourds sont produits par collisions entre partons des noyaux incidents aux premiers instants de la collision, et subissent donc toute la dynamique de la collision.
Grâce aux mesures de production de J/psi (c-cbar) dans les collisions Pb-Pb lors des Runs 1 et 2 du LHC, la collaboration ALICE a mit en evidence le mécanisme de regeneration des quarkonias: quand le nombre initial de paires quark/anti-quark est élevé, et que les quarks lourds thermalisent dans le QGP, alors des nouveaux quarkonia peuvent être crées par le QGP par recombinaison de quarks lourds. D’autres mécanismes tels que la suppression par ecrantage de couleur affectent aussi la production des quarkonia. Les mesons Bc sont constitués d’un quark b et un antiquark c (et conjugué de charge). De ce fait, leur production dans des collisions proton-proton est largement défavorisé. Néanmoins, dans les collisions Pb-Pb, la production du Bc pourrait être largement augmenté grâce au mécanisme de regeneration.
Nous proposons d’étudier la production des mésons Bc dans les collisions Pb-Pb à une énergie dans le centre de masse de la collision par paire de nucleon (sqrt(sNN)) de 5.36 TeV au LHC avec les données du Run 3 (2022-2025). Le système de détection d’ALICE a été amélioré en vue des Runs 3 et 4 avec l’ajout d’un trajectographe à pixels en silicium (MFT) pour compléter le spectromètre à muons d’ALICE et une nouvelle électronique de lecture de ce dernier. Ces ameliorations permettront, d’une part, de profiter au maximum de l’augmentation en luminosité du LHC et ainsi de tripler en une seule année la quantité de données collectées pendant tout le Run 2 (2015-2018) du LHC et, d’autre part, de mesurer avec precision la position des vertex secondaires de décroissance des hadrons beaux. Les mésons Bc seront mesurés à grande rapidité en reconstruisant trois muons secondaires avec le spectromètre à muons et le MFT d’ALICE.
Dans un premier temps, le candidat contribuera à l’optimisation et l’evaluation des performances des algorithmes de matching entre le spectromètre à muons et le MFT, et de reconstruction des vertex secondaires. Dans un deuxième temps, le candidat étudiera le aux de production des mésons Bc dans les collisions Pb-Pb. Finalement, les résultats seront comparés à d’autres mesures expérimentales et à divers calculs théoriques.
Ce travail inclut la familiarisation de l’étudiant avec les outils de travail de la grille de calcul ainsi qu’avec les nouveaux codes de simulation, reconstruction et analyse de la collaboration ALICE.