Département de Physique des Particules

Les axions sont des particules hypothétiques, apparaissant dans des extensions du modèle standard. Ils ont été introduits pour expliquer l’absence de violation de CP dans les interactions fortes. Il constituent par ailleurs un excellent candidat à la matière noire. En présence d’un champ magnétique intense les axions présents dans une expérience de laboratoire pourraient se convertir en ondes radiofréquences, détectables à l’aide d’un radiomètre. Une telle expérience est en cours de montage au CEA Saclay. Le travail de thèse consistera dans un premier temps à développer le radiomètre et à exploiter des bancs de mesures pour en déterminer précisément la sensibilité au signal d’axion, et en optimiser les performances. Dans un second temps, il s’agira de participer à l’étalonnage de l’expérience, de participer aux prises de données et aux analyses de données en vue de produire des contraintes sur les paramètres décrivant les axions.

Les observations en rayons gamma de très hautes énergies (THE, E>100 GeV) sont cruciales pour la compréhension des phénomènes non-thermiques les plus violents à l’œuvre dans l’Univers. La région du centre de la Voie Lactée est une région complexe et active en rayons gamma de THE. Parmi les sources gamma de THE se trouvent le trou noir supermassif Sagittarius A* au coeur de la Galaxie, des vestiges de supernova ou encore des régions de formation d'étoiles. L'émission diffuse détectée par les télescopes H.E.S.S. a permis de détecter le premier « Pevatron » Galactique - un accélérateur cosmique jusqu'à des énergies du PeV. La région du Centre Galactique abrite la base de bulles de Fermi - structures bipolaires s'étendant sur des dizaines de degrés, en lien possible avec une période d'activité passée de Sagittarius A*. La région du Centre Galactique devrait être aussi a source la plus brillante d’annihilations de particules de matière noire en rayons gamma de THE.

L'observatoire H.E.S.S. situé en Namibie est composé de cinq télescopes imageurs à effet Cherenkov atmosphérique. Il est conçu pour détecter des rayons gamma de quelques dizaines de GeV à plusieurs dizaines de TeV. La région du Centre Galactique est observée par H.E.S.S. depuis vingt ans. Ces observations ont permis de détecter le premier Pevatron Galactique et de poser les contraintes les plus fortes à ce jour sur la section efficace d'annihilation de particules de matière noire dans la plage en masse du TeV.

Le travail proposé se concentrera sur l'analyse et l'interprétation de l’ensemble des observations H.E.S.S. conduites dans la région du Centre Galactique vingt ans. La première partie du travail sera dédiée à l’analyse bas niveau des données et à l’étude des erreurs systématiques dans le jeu de données massif. Dans une deuxième partie, l’étudiant(e) combinera l'ensemble des données obtenues lors la phase 1 et le phase 2 de H.E.S.S. pour rechercher des émissions diffuses et des signaux de matière noire à l’aide d'une technique d'ajustement multi-composante. La troisième partie consistera à développer et implémenter une nouvelle méthode d’analyse utilisant les réseaux de neurones Bayesiens pour la recherche de nouvelles émissions astrophysiques dans le centre Galactique avec H.E.S.S. et étudier le potentiel de détection avec CTA. L’étudiant(e) sera amené(e) à prendre part à la prise de données avec les télescopes H.E.S.S.

L’astronomie des très hautes énergies est une partie de l’astronomie relativement récente (30 ans) qui s’intéresse au ciel au-dessus de 50 GeV. Après les succès du réseau H.E.S.S. dans les années 2000, un observatoire international, le Cherenkov Telescope Array (CTA) devrait entrer en fonctionnement à l’horizon 2024. Cet observatoire comportera une cinquantaine de télescopes au total, répartis sur deux sites. L’IRFU est impliqué dans la construction de la NectarCAM, une caméra destinée à équiper les télescopes « moyens » (MST) de CTA. Le premier exemplaire de cette caméra (sur les neuf prévues) est en cours d’intégration à l’IRFU et sera installé sur le site Nord de CTA en 2024. Une fois la caméra installée, les premières observations du ciel pourront avoir lieu, permettant de valider entièrement le fonctionnement de la caméra. La thèse vise à finaliser les tests en chambre noire à l’IRFU, préparer l’installation et valider le fonctionnement de la caméra sur le site de CTA. Elle vise également à effectuer les premières observations astronomiques avec ce nouvel instrument. Il est également prévu de participer à l’analyse des données de la collaboration H.E.S.S., sur des sujets d’astroparticules (recherche de trous noirs primordiaux, contraintes sur l’Invariance de Lorentz à l’aide d’AGN lointains).

Au cours des deux dernières années, les télescopes IACT (Imaging Air Cherenkov Telescopes) H.E.S.S. et MAGIC ont pu détecter des émissions de rayons gamma de très haute énergie provenant de sursauts gamma (GRBs). Ces résultats révolutionnaires ont relancé les discussions sur les mécanismes d'accélération et d'émission de particules que l'on peut trouver dans ces explosions violentes [1].

En complément des détections de GRBs via les satellites à rayons X, la détection des ondes gravitationnelles permet de fournir des informations nouveaux et complémentaires sur la phase de pré-explosion: les conditions initiales, la géométrie du système, et bien plus encore. Le projet de thèse proposé exploitera les possibilités passionnantes données en combinant la détection des ondes gravitationnelles et la détection du GRB résultant par les observatoires de rayons gamma de très haute énergie dans des observations et des analyses véritablement multi-messagers.

Le cœur du projet proposé sera H.E.S.S., actuellement l'instrument gamma le plus sensible au monde, et CTA, l'observatoire mondial de rayons gamma de haute énergie de nouvelle génération. Nous collaborerons également étroitement avec des partenaires du monde entier, dont évidemment l'instrument d'ondes gravitationnelles Advanced VIRGO, le satellite SVOM pour détecter les GRBs, divers radiotélescopes en Australie et en Afrique du Sud, des observatoires optiques, et bien d'autres encore. Le groupe de l'IRFU, CEA Paris-Saclay, dirige les observations des phénomènes transitoires par H.E.S.S. et CTA et possède d'une longue expérience avec ces observations difficiles. Le groupe est également à l'origine de changements et de modernisations de la communication dans la communauté des astroparticules (par exemple via l'application web/smartphone Astro-COLIBRI, voir: https://astro-colibri.com [2]).

Le/la doctorant(e) aura d'abord l'occasion de participer au développement et à l'amélioration des algorithmes qui permet d'optimiser les observations de suivi des phénomènes transitoires astrophysiques. Certains des événements les plus intéressants ne sont détectés qu'avec de grandes incertitudes de localisation (en particulier les ondes gravitationnelles, mais aussi les GRBs, les neutrinos etc.). Nous avons donc besoin d'outils et d'algorithmes spécialisés qui permettent d'orienter les instruments de suivi comme H.E.S.S. dans la bonne direction pour capter rapidement l'émission associée [3]. Une période d'un an d'observations par les interféromètres OG (appelée O4) est prévue de débuter en printemps 2023. Cette période correspond parfaitement au projet de doctorat présenté ici, car l'étudiant(e) sélectionné(e) aura l'occasion de diriger les observations de suivi de H.E.S.S. et de CTA/LST-1 à la recherche de GRBs et d'autres contreparties gamma aux OGs détectés par LIGO/VIRGO/KAGRA pendant cette période. Une quantité importante de temps d'observation avec les télescopes de H.E.S.S. et CTA/SLT-1 a été réservée pour ces recherches passionnantes. Nous aurons donc de nombreuses occasions d'optimiser nos procédures de suivi, beaucoup de données à analyser, des résultats à présenter lors de conférences internationales et des articles à publier.



Le cœur du projet de thèse proposé sera la recherche en temps réel d'une émission gamma transitoire de haute énergie liée à la détection d'une onde gravitationnelle (et d'autres transitoires astrophysiques multi-messagers comme les neutrinos de haute énergie, les sursauts gamma, les sursauts radio rapides, les explosions stellaires/nova, etc.). Les observations combinées prouveront sans équivoque l'existence d'un accélérateur de rayons cosmiques de haute énergie lié à ces phénomènes multi-messagers violents et permettront d'obtenir de nouvelles informations sur les explosions les plus violentes de l'univers.



References:

[1] H.E.S.S. Collaboration: “Revealing x-ray and gamma ray temporal and spectral similarities in the GRB 190829A afterglow, Science, Vol. 372 (2021);

[3] P. Reichherzer, F. Schüssler, et al. : “Astro-COLIBRI-The COincidence LIBrary for Real-time Inquiry for Multimessenger Astrophysics”, ApJS 256 (2021);

[2] H. Ashkar, F. Schüssler, et al. : “The H.E.S.S. gravitational wave rapid follow-up program”, JCAP 03 (2021);

Les structures observables dans l’Univers à grande échelle (LSS pour Large-Scale Structures) proviennent de la croissance, sous l’effet de la gravitation, de petites fluctuations primordiales de densité créées par l'inflation. La mesure des propriétés statistiques des LSS à très grande échelle ( Gpc) permet d’étudier l’inflation, à des échelles intermédiaires (~100 Mpc) l’énergie noire avec les Oscillations Baryoniques Acoustiques (BAO) et enfin à des échelles plus petites (~10 Mpc), la gravitation avec les distorsions des structures dans l’espace des redshifts (RSD).



Notre stratégie pour étudier les LLS à toutes les échelles, consiste à utiliser un relevé spectroscopique, DESI, qui observera plusieurs dizaines de millions de galaxies et de quasars. Les observations ont lieu au télescope Mayall de 4 m en Arizona. Depuis le printemps 2021, le projet a débuté une période d’observation sans interruption qui durera 5 ans, ce qui permettra de couvrir un quart de la voute céleste.



Pour cette thèse, les LSS sont mesurées avec un traceur unique de la matière : les quasars, objets très lointains et très lumineux. Les quasars nous permettent de couvrir une large plage en redshift allant de 0.9 à 3.5 et d’étudier la structuration de l’Univers à toutes les échelles, allant de quelques dizaines de Mpc au Gpc.



Au cours de sa première année de thèse, l’étudiant participera l'analyse de la première année d'observation de DESI. Ensuite il pourra se consacrer à une mesure globale des paramètres cosmologiques qui utilisera simultanément toutes les échelles. La thése se terminera pas l'étude des trois premières années d'observation de DESI.

Le but de cette thèse est de développer des méthodes d’inférence bayésienne reposant sur des simulations différentiables et de les mettre en oeuvre pour l’analyse cosmologique du relevé de galaxies DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument).



DESI est un spectrographe multi-objets monté sur le télescope Mayall à Kitt Peak, en Arizona, qui permettra la mesure de 35 millions de décalages spectraux de galaxies et de quasars entre 0.05 < z < 3.0, ce qui représente une augmentation de la statistique d'un facteur dix par rapport aux relevés spectroscopiques précédents (par exemple BOSS, eBOSS). La première année de prise de données de DESI, correspondant à un cinquième du relevé total et constituant le plus grand échantillon de données spectroscopiques à ce jour, vient d'être achevée.



Dans cette thèse, nous proposons de travailler sur une approche théoriquement optimale pour extraire l’information cosmologique des relevés récents de galaxies, en particulier DESI, qui consiste à reproduire la densité de galaxies observée à l’aide de simulations de la formation des grandes structures de l’Univers. Cette nouvelle approche requiert des développements pour rendre possible l’inférence en très grande dimension (~ 10^10) et pour accélérer les simulations numériques avec une approche hybride reposant sur des modèles physiques et d’apprentissage artificiel. Le ou la doctorant(e) appliquera ces développements à l’analyse cosmologique des données de DESI de première année pour en tirer des contraintes cosmologiques des plus compétitives. Ce projet mènera a trois publications premier auteur.

La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d'imagerie médicale nucléaire largement utilisée en oncologie et en neurobiologie. La désintégration du traceur radioactif émet des positrons, qui s'annihilent en deux photons de 511 keV. Ces paires de photons sont détectées en coïncidence et utilisées pour reconstituer la distribution de l'activité du traceur dans le corps du patient.

Dans cette thèse, nous proposons de contribuer au développement d’une technologie ambitieuse et brevetée : ClearMind. Le premier prototype est actuellement testé en laboratoire. Ce détecteur de photons gamma met en œuvre un cristal monolithique de Tungstate de Plomb, dans lequel sont produits des photons Cherenkov et de scintillation. Ces photons sont convertis en électrons par la 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 du photomultiplicateur en silicium. Des techniques d'apprentissage automatique seront appliquées pour traiter les signaux complexes acquis afin de reconstruire le temps et les coordonnées du point de conversion gamma dans le cristal.

Le candidat travaillera sur le développement d'un algorithme d'apprentissage automatique de haute efficacité pour la reconstruction des vertex d’interaction gamma dans le cristal monolithique. En particulier, ce travail consiste d'abord à améliorer la simulation Geant4 du détecteur et à l'ajuster aux caractéristiques du démonstrateur mesurées en laboratoire. Cette simulation sera utilisée pour alimenter une base d’entraînement pour le développement et l'optimisation de réseaux de neurones profonds. Ces algorithmes permettront la reconstruction efficace de l'interaction gamma en utilisant la forme complète du signal et/ou les données pré-traitées (features engineering). Les performances de ces algorithmes de reconstruction seront évaluées sur des données de test réelles acquises avec le démonstrateur ClearMind. Une attention particulière sera portée au développement de réseaux compacts, efficaces et rapides ainsi qu'à une estimation robuste de l'incertitude des paramètres reconstruits dans le contexte d’une IA « de confiance ». La possibilité d'embarquer ces algorithmes dans des FPGA pour une reconstruction en ligne rapide sera étudiée.

Une des meilleures thèses qu'on peut faire aujourd'hui : la physique du boson de Higgs par le biais d'une désintégration rare non encore observée, un processus prévu par le modèle standard crucial pour progresser dans sa compréhension, avec une partie détecteur liée à la fois au sujet de physique et à l'amélioration du détecteur CMS pour la phase à haute luminosité du LHC.



Dans la recherche de compréhension de notre univers, le modèle standard de la physique des particules apparaît comme une approximation à basse énergie d'une théorie plus complète. La découverte du boson de Higgs a apporté une pièce essentielle au puzzle. Toutefois, plusieurs questions restent ouvertes (naturalité, nombre de générations de leptons, asymétrie matière-antimatière dans l'univers, etc.). Une caractérisation précise du boson de Higgs à travers tous ses canaux de désintégration doit permettre d'améliorer notre compréhension du problème.



Cette thèse propose une recherche de la désintégration du boson de Higgs en un boson Z et un photon (Zgamma). Aussi rare que la désintégration en deux photons, elle est plus difficile à observer en raison du faible rapport d'embranchement du boson Z en leptons chargés (électrons et muons). Les désintégrations du boson Z en neutrinos et d'autres états finals pourront probablement être exploitées avec une certaine chance de succès.



La désintégration Zgamma n'a pas encore été observée - seules des limites sur sa probabilité ont été placées - mais elle pourrait être mise en évidence en utilisant l'ensemble des données du Run2 du LHC (2015-2018) ainsi que du Run3, qui vient de démarrer et permettra de doubler la quantité de données avant 2025.



La désintégration Zgamma est liée à d'autres désintégrations du boson de Higgs, qui peuvent aider à la contraindre : la désintégration directe en deux muons plus un photon additionnel irradié dans l'état final, celle en deux bosons Z, celles de type Dalitz en électrons et muons.



Les productions de bosons Z (Drell-Yan) et de paires de bosons vecteurs comme ZZ, ZW et WW, prévues dans le modèle standard, viennent masquer l'état final Zgamma et doivent être prises en compte dans l'analyse : la recherche pour la désintégration Zgamma implique de maîtriser différents processus fondamentaux, ainsi que les modes de production du boson de Higgs.



La thèse inclut aussi une partie expérimentale dont l'objectif est d'optimiser la résolution en temps du calorimètre électromagnétique de CMS (ECAL). Bien que conçu pour des mesures de précision en énergie, le ECAL présente aussi une excellente résolution sur le temps d'arrivée des photons (environ 150 ps en collisions, bien que 70 ps aient été atteintes en test faisceau). Dans un environnement peuplé de photons provenant de collisions parasites (empilement, ou pileup), la connaissance du temps d'arrivée du photon dans l'état final peut contribuer à en contraindre la provenance au vertex de désintégration du boson de Higgs, celui dont sont issus les leptons de désintégration du boson Z.



Cette faculté à exploiter l'information en temps du calorimètre sera une clef pour la phase à haute luminosité du LHC (2029-) quand l'électronique du ECAL sera remplacée pour offrir une résolution en temps encore meilleure (30 ps pour les photons et électrons de haute énergie) et la luminosité du LHC -et le nombre d'évènements superposés - et donc de photons dans l'état final - sera un facteur 5 supérieur à celui du Run 2.



La thèse propose aussi de participer aux shifts de prise de données de CMS et de CMS/ECAL au CERN ainsi qu'aux tests en laboratoire prévus pour valider la nouvelle électronique du ECAL qui vient d'être développée.

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.

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.

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.