Caractérisation et utilisation d’une source de rayons X de fluorescence pour la calibration à très basse énergie de détecteurs cryogéniques

Sujet détaillé

La méthode CRAB (Calibrated Recoils for Accurate Bolometry) vise à calibrer précisément les détecteurs cryogéniques utilisés dans les expériences de recherche de matière noire légère 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), les bolomètres. Or jusqu’à présent il était très difficile de générer des reculs nucléaires d’énergie connue pour caractériser la réponse de ces détecteurs. Le principe de la méthode CRAB, est d’induire une réaction de capture avec des neutrons thermiques (énergie de 25 meV) sur un noyau du détecteur cryogénique [1,2,3]. 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 un seul rayon 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) a permis de valider la méthode [4].
La deuxième phase de ce projet, actuellement en cours, consiste à réaliser des mesures de haute précision auprès du réacteur TRIGA-Mark-II à Vienne (TU-Wien, Autriche) [5]. Au-delà de la calibration absolue des détecteurs cryogénique avec une précision inégalée, cette campagne de mesures s’inscrit dans un programme transdisciplinaire offrant des tests originaux de la physique nucléaire (schéma de niveaux et temps de désexcitation du noyau) et de la physique du solide (déroulement dans le temps des cascades de déplacements, étude des défauts cristallins induits par le recul nucléaire).
En 2025-2026, des cristaux de CaWO4 et de Al2O3 refroidi à 15 mK dans un cryostat à dilution vont être irradiés par un faisceau pur de neutrons thermiques, fourni par le réacteur TRIGA-Mark-II.
Le contexte du stage est la comparaison de la réponse en énergie de ces détecteurs à des reculs nucléaires et à des reculs électroniques, dans la gamme 100-1000 eV. Dans les expériences actuelles les calibrations reposent sur des reculs électroniques car ils sont faciles à mettre en œuvre avec des sources de rayons X ou des impulsions laser. Cependant le signal physique de l’interaction des neutrinos ou de la matière noire est un recul nucléaire, dont les pertes d’énergie dans la matière sont très différentes de celles d’un électron. La comparaison proposée atteint donc plusieurs objectifs : elle fournit une calibration absolue pour le signal d’intérêt des reculs nucléaires, elle établit une intercalibration entre les deux types de reculs permettant de propager l’ancrage absolu établit à Vienne vers des mesures dans d’autres cryostats, enfin elle représente une sonde originale des différents processus de pertes d’énergie à l’œuvre (notamment la création des défauts cristallins par les reculs nucléaires).
Une source de rayons X de basse énergie est actuellement en développement au CEA [6,7]. Le (la) stagiaire participera à sa caractérisation à Saclay, à l’installation des détecteurs cryogéniques et de cette source dans le cryostat à Vienne, à la prise de données et leur analyse. Le travail se fera au sein de l’équipe du DPhN constituée de deux physiciens permanents, une postdoctorante et un thésard. L’interprétation des résultats se fera en collaboration avec nos collègues du département de recherche sur les matériaux et la physico-chimie qui réalisent des simulations dédiées de dynamique moléculaire pour des reculs nucléaires de faible énergie.
A travers ce stage l’étudiant(e) aura un aperçu complet d’une mesure physique de précision. Il (elle) pourra être force de propositions, tester ses propres idées dans le développement de l’analyse. Les résultats obtenus seront présentés à la collaboration internationale CRAB.

PROFIL ET COMPÉTENCES RECHERCHÉES
* Stage de fin d’étude pour un(e) étudiant(e) de M2 ou d’école d’ingénieur d’une durée de 3 à 6 mois
* Connaissances de base en physique nucléaire, physique des particules, et en instrumentation.
* Programmation en C++, Python
* La connaissance des logiciels GEANT4 et ROOT est un plus

POURSUITE EN THÈSE DE DOCTORAT
Un sujet de thèse est proposé dans la continuité de ce stage.

ENVIRONNEMENT DE TRAVAIL
Le(la) stagiaire travaillera sur le site du CEA-Saclay, au sein du département de physique nucléaire de l’Irfu, et en proche collaboration avec le département de physique des particules et le département de recherche sur les matériaux et la physico-chimie.

CONTACTS
et

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
[1] L. Thulliez, D. Lhuillier et al. Calibration of nuclear recoils at the 100 eV scale using neutron capture, JINST 16 (2021) 07, P07032 (https://arxiv.org/abs/2011.13803)
[2]https://irfu.cea.fr/dphp/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?id_ast=4970
[3] G. Soum-Sidikov et al., Study of collision and γ-cascade times following neutron-capture processes in cryogenic detectors, Phys. Rev. D 108, 072009 (2023) (https://arxiv.org/abs/2305.10139)
[4] H. Abele et al., Observation of a nuclear recoil peak at the 100 eV scale induced by neutron capture, Phys. Rev. Lett. 130, 211802 (2023) (https://arxiv.org/abs/2211.03631)
[5] H. Abele et al., The CRAB facility at the TU Wien TRIGA reactor: status and related physics program, Eur. Phys. J. C (2025) accepted (https://arxiv.org/abs/2505.15227)
[6] E. Leblanc et al. Bolometer characterisation with a specially developed cryogenic source having more than five peaks in the 1–6 kev range. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A 370(1), 208–210 (1996). https://doi. org/ 10. 1016/ 0168- 9002(95) 01119-6
[7] H. Abele, Sub-keV Electron Recoil Calibration for Macroscopic Cryogenic Calorimeters using a Novel X-ray Fluorescence Source, J Low Temp Phys (2025). https://doi.org/10.1007/s10909-025-03330-2 (https://arxiv.org/abs/2505.17686)

Lieu du stage

Saclay

Conditions de stage

• Durée du stage : 6 mois
• Niveau d’étude requis : Bac+5
• Formation : Master 2
• Poursuite possible en thèse : Oui
• Date limite de candidature : 1 janvier 2026

Langages informatiques et logiciels :
* Programmation: C++, Python
* Software: GEANT4 et ROOT is a plus

Responsable du stage

THULLIEZ Loïc et LHUILLIER David
Tél. : +33 1 69 08 74 53
Email :

Responsable DPhN / LEARN

Tél. :