14 sujets IRFU/DPhP

Dernière mise à jour : 28-01-2022


• Astroparticules

• Astrophysique

• Physique des particules

• Technologies pour la santé et l’environnement, dispositifs médicaux

 

Recherche de contreparties aux ondes gravitationnelles avec H.E.S.S. et CTA

SL-DRF-22-0068

Domaine de recherche : Astroparticules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Astroparticules (GAP)

Saclay

Contact :

Fabian Schussler

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2022

Contact :

Fabian Schussler
CEA - DRF/IRFU

+33169083020

Directeur de thèse :

Fabian Schussler
CEA - DRF/IRFU

+33169083020

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/fabian.schussler/index.html

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=1025&voir=fm

Voir aussi : https://astro-colibri.com

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'observation cruciale par les interféromètres OG (appelée O4) est prévue pour la fin de l'année 2022. 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);

Recherche de matière noire et Centre Galactique en rayons gamma de très haute énergie avec H.E.S.S.

SL-DRF-22-0023

Domaine de recherche : Astroparticules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Astroparticules (GAP)

Saclay

Contact :

Emmanuel MOULIN

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2022

Contact :

Emmanuel MOULIN
CEA - DRF/IRFU/DPhP/HESS 2

01 69 08 29 60

Directeur de thèse :

Emmanuel MOULIN
CEA - DRF/IRFU/DPhP/HESS 2

01 69 08 29 60

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/emmanuel.moulin/

Labo : http://irfu.cea.fr/dphp/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_sstheme.php?id_ast=28&id_unit=8

Voir aussi : https://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/

La thèse se concentrera sur l'analyse et l'interprétation des observations menées dans la region de centre de la Voie Lactée avec l'observatoire H.E.S.S. depuis plus de 15 ans. La première partie du travail sera dédiée à l'analyse bas-niveau desdonnées du Centre Galctique et à l'étude des incertitudes systématiques dans ce jeu de données massifs. Dans une seconde partie, l'étudiant(e) combinera les données de la phase I et de la phase 2 de H.E.S.S. pour rechercher un signal de matière noire à l'aide de techniques d'analyse utilisant des patrons pour le signal et le bruit de fonds. La troisième partie portera sur le développement d'une nouvelle méthode d'analyse utilisant les réseaux de neurones Bayesiens et son implémentation dans le contexte de la recherche de matière noire et sources variables dans la region du Centre Galactique. L'étudiant(e) sera impliqué(e) dans la prise de données et la sélection des observations H.E.S.S.
Etude de la structuration de l'Univers à toutes les échelles avec des quasars dans DESI

SL-DRF-22-0122

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Cosmologie (GCOSMO)

Saclay

Contact :

Christophe YECHE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2022

Contact :

Christophe YECHE
CEA - DRF/IRFU/SPP/Bao

01-69-08-70-50

Directeur de thèse :

Christophe YECHE
CEA - DRF/IRFU/SPP/Bao

01-69-08-70-50

Labo : http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=3428

Voir aussi : https://www.desi.lbl.gov

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 (printemps 2021- printemps 2022). 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.
Impact de la densité de galaxies dans l’analyse du grand relevé spectroscopique DESI

SL-DRF-22-0278

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Cosmologie (GCOSMO)

Saclay

Contact :

Etienne Burtin

Vanina RUHLMANN-KLEIDER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2022

Contact :

Etienne Burtin
CEA - DRF/IRFU/DPHP/GCOSMO

01 69 08 53 58

Directeur de thèse :

Vanina RUHLMANN-KLEIDER
CEA - DRF/IRFU/DPHP/GCOSMO

01 69 08 61 57

Au cours des 30 dernières années, l‘étude de l’Univers a conduit à l’émergence d’un modèle standard de de la cosmologie basé sur la relativité générale. Dans ce modèle, l’Univers est formé de matière ordinaire, de matière noire et d’une mystérieuse composante appelée « énergie noire », responsable de l’accélération récente de l’expansion de l’Univers. Le grand relevé spectroscopique DESI qui vient de commencer sa campagne d’observations de 5 ans aux Etats-Unis a pour objectif de réaliser une cartographie de la répartition des galaxies dans l’Univers 10 fois plus précise que les relevés existants. La communauté scientifique s’organise pour définir les méthodes d’analyse des données afin d’extraire le maximum d’information de ces relevés et d’entrer ainsi dans l’ère de la cosmologie de précision notamment sur la mesure du taux de croissance des structures. Cette thèse propose l’approche originale d’utiliser la densité de matière à grande échelle pour améliorer sensiblement la précision sur cette mesure, dans le but de renforcer les tests de la relativité générale.

Cette thèse se déroulera à l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers au CEA-Saclay. Le futur doctorant sera intégré au groupe de cosmologie de l'Irfu/DPhP, composé de 10 physiciens et de 4 doctorants. Présent et moteur dans l’expérience DESI, le groupe participe également à Euclid et a eu par le passé une forte contribution dans SNLS, Planck et SDSS (BOSS et eBOSS), toutes expériences organisées en collaborations internationales. Le futur doctorant sera intégré à la collaboration DESI dont il analysera les données et bénéficiera pour ce faire de toute l’expertise du groupe déjà acquise sur BOSS et eBOSS.
Inférence cosmologique du champ de densité de galaxies dans le relevé spectroscopique DESI

SL-DRF-22-0364

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Cosmologie (GCOSMO)

Saclay

Contact :

Arnaud de Mattia

Vanina RUHLMANN-KLEIDER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2022

Contact :

Arnaud de Mattia
CEA - DRF/IRFU/DPHP/GCOSMO

01 69 08 62 34

Directeur de thèse :

Vanina RUHLMANN-KLEIDER
CEA - DRF/IRFU/DPHP/GCOSMO

01 69 08 61 57

L'objectif de cette thèse est de développer une méthode d'analyse novatrice pour extraire l’information cosmologique du grand relevé spectroscopique de galaxies DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), reposant sur des simulations numériques du relevé et des nouvelles techniques d’apprentissage artificiel et d'inférence statistique, qui ne souffre pas des limitations des analyses standards.



DESI est un spectrographe multi-objets monté sur le télescope Mayall à Kitt Peak, en Arizona, qui permettra la mesure de 35 millions de redshifts 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). Au début de la thèse, la première année de prise de données DESI, correspondant à un cinquième du relevé, sera terminée, constituant ainsi le plus grand catalogue spectroscopique jamais construit. La quantité de données sera multipliée par trois d'ici la fin de la thèse.



Dans cette thèse, nous proposons de travailler sur une approche théoriquement optimale pour extraire l’information cosmologique des relevés de galaxies, en particulier DESI, qui consiste à reproduire la densité de galaxies observée à l'aide de simulations. En pratique, un champ de densité initial aléatoire de matière noire est généré dans une boîte cubique puis est évolué dans le temps suivant les équations de la gravité. Le champ de galaxies est modélisé à partir de celui de matière noire, puis les effets de sélection du relevé sont appliqués. La vraisemblance du champ de densité des galaxies observé étant donné le champ simulé est calculée, et sa valeur est utilisée pour échantillonner les conditions initiales du champ de densité. Ce projet, qui pourrait aboutir aux premières contraintes cosmologiques avec une telle méthode à partir de vraies données, donnera lieu à une ou deux publications premier auteur. Il sera aussi très utile aux analyses standards de DESI.
Mesure de la forêt Lyman-alpha à petite échelle avec le relevé DESI : à la recherche de la matière noire et des neutrinos.

SL-DRF-22-0227

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Cosmologie (GCOSMO)

Saclay

Contact :

Eric Armengaud

Guillaume Mention

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2022

Contact :

Eric Armengaud
CEA - DRF/IRFU/DPhP

01 69 08 19 50

Directeur de thèse :

Guillaume Mention
CEA - DRF/IRFU/DPhP

01 69 08 56 32

Labo : https://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=3428

Voir aussi : https://www.desi.lbl.gov

La distribution de la matière aux échelles cosmologiques peut être prédite dans le cadre du modèle cosmologique standard. Elle dépend entre autres de la masse absolue des neutrinos (encore inconnue) et des propriétés de la matière noire, dont la nature est un grand mystère scientifique. L'équipe de cosmologie de l'IRFU-DPhP, qui regroupe une dizaine de chercheurs permanents, est fortement impliquée dans le relevé du ciel DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument). DESI est le premier des projets de nouvelle génération dont le but est de cartographier les structures à grande échelle dans l'Univers. Le télescope DESI, situé en Arizona, a commencé ses observations en 2021 et fournira dans les années à venir une carte 3D sans précédent de l'Univers.



Cette thèse propose d'analyser et d'interpréter les observations DESI de la forêt dite Lyman-alpha, qui mesure l'absorption par le milieu intergalactique de la lumière provenant de quasars distants situés à des redshifts z ~ 2 - 4. Les observations Lyman-alpha fournissent la seule mesure de la distribution de la matière à la fois aux "petites" échelles cosmologiques (~megaparsec) et dans l'Univers primitif (10 à 12 milliards d'années, juste 2 milliards d'années après le Big Bang).

Le doctorant participera à l'analyse des données complètes de la forêt Lyman-alpha DESI-Y1 ("Year-1") à Y3. Il/elle améliorera notre compréhension des effets instrumentaux et astrophysiques qui sont cruciaux pour cette mesure. Nous proposons que l'étudiant développe une méthode originale pour reconstruire le spectre de puissance statistique complet à 3D des fluctuations de la matière, à partir des données 1D de la forêt Lyman-alpha. Il/elle utilisera pour cela des techniques de reconstruction tomographique déjà exploitées par le groupe.

Dans une deuxième partie de la thèse, l'étudiant interprétera les données Lyman-alpha pour mesurer les propriétés de la matière noire et des neutrinos. L'intensité et la pente du spectre de puissance Lyman-alpha dépendent notamment de la somme des masses des neutrinos. Elles dépendent également d'autres paramètres cosmologiques, de sorte que pour briser les dégénérescences, les données Lyman-alpha seront combinées aux mesures du fond diffus cosmologique (CMB). Actuellement, la combinaison CMB+Lyman-alpha limite déjà la masse des neutrinos à moins de ~110 milli-eV (la meilleure limite supérieure), alors que la physique des particules nous dit qu'elle devrait être de 60 milli-eV ou plus. En améliorant les mesures et les combinaisons de données, nous espérons donc nous rapprocher d'une première détection. Ce travail sera basé sur des ensembles dédiés de simulations cosmologiques exécutées sur des infrastructures HPC. En fonction de ses affinités, l'étudiant pourra utiliser des algorithmes d'apprentissage automatique pour optimiser l'exploitation de ces simulations afin de déduire des paramètres cosmologiques à partir des données.

BINGO: Bi-Isotope 0nBB Next Generation Observatory

SL-DRF-22-0338

Domaine de recherche : Physique des particules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Sources et Réacteurs (GNSR)

Saclay

Contact :

Claudia Nones

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2022

Contact :

Claudia Nones
CEA - DRF/IRFU/DPHP/GNSR

0169083520

Directeur de thèse :

Claudia Nones
CEA - DRF/IRFU/DPHP/GNSR

0169083520

Voir aussi : https://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=4713

BINGO est un nouveau projet financé par une bourse ERC. Il mettera les bases pour une expérience bolométrique à grande échelle pour la recherche de la désintégration double bêta sans neutrinos avec un indice de bruit de fond d'environ 10-5 coups/(keV kg y) et avec une très haute résolution en énergie dans la région d'intérêt. Ces caractéristiques permettront de rechercher la violation du nombre leptonique avec une sensibilité sans précédent. BINGO est basé sur des bolomètres luminescents pour le rejet du fond dominant de la surface alpha. Il se concentrera sur deux isotopes extrêmement prometteurs - 100Mo et 130Te - qui ont des mérites complémentaires et méritent d'être considérés tous deux pour de futures recherches à grande échelle.

Le projet apportera trois ingrédients originaux à la technologie bien établie des bolomètres hybrides chaleur-lumière : i) la sensibilité du détecteur de lumière sera augmentée d'un ordre de grandeur grâce à l'amplification Neganov-Luke ; ii) un assemblage de détecteur révolutionnaire réduira la contribution totale de la radioactivité de surface d'au moins un ordre de grandeur ; iii) pour la première fois dans un assemblage de macrobolomètres, un écran actif interne, basé sur des scintillateurs ZnWO4 ou BGO ultrapurs avec lecture de la lumière bolométrique, supprimera le fond gamma externe. Dans cette thèse, l'étudiant(e) contribuera à l'assemblage et à l'installation d'un démonstrateur, MINI-BINGO, dans un nouveau cryostat au Laboratoire Souterrain de Modane. Il/elle participera à la prise de données et à leur analyse. Il/elle estimera le rejet final du bruit de fond rendu possible par les performances de la configuration finale du détecteur.

Etude des performances du détecteur proche de l'expérience T2K et mesure de la violation de CP dans les oscillations des neutrinos

SL-DRF-22-0275

Domaine de recherche : Physique des particules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Neutrinos Accélérateurs (GNA)

Saclay

Contact :

Jean-Francois Laporte

Samira Hassani

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2022

Contact :

Jean-Francois Laporte
CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas

01 69 08 37 49

Directeur de thèse :

Samira Hassani
CEA - DRF/IRFU/DPHP/TK2

0169087226

La découverte de la masse non nulle des neutrinos a ouvert une fenêtre sur une nouvelle physique au-delà du modèle standard. L'étude des oscillations de neutrinos est aujourd’hui un secteur très prometteur pour la recherche de nouveaux phénomènes inattendus. En particulier, l'analyse des oscillations des neutrinos et des anti-neutrinos auprès des expériences T2K et NOVA a fourni les premières indications sur la violation de CP dans le secteur leptonique. Si une violation de la symétrie CP pouvait être observée dans les neutrinos, ce serait une découverte majeure qui pourrait résoudre l'une des questions les plus fondamentales à laquelle la physique s’attache à répondre qui est la prédominance de la matière sur l’antimatière dans l’Univers.



T2K est une expérience sur les neutrinos conçue pour étudier comment les neutrinos passent 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 renseigner sur les propriétés des neutrinos.



Les travaux de la thèse proposée se concentreront sur l'installation, 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 d'interaction des neutrinos et de contraindre les sections efficaces d'interaction des neutrinos afin que l'incertitude sur le nombre d'événements prédits à Super-Kamiokande soit réduite à environ 4% (d’environ 8 % à ce jour). Cela permettra d'améliorer la portée physique du projet T2K-II. Cet objectif est atteint en modifiant la partie amont du détecteur, en ajoutant un nouveau détecteur à scintillateur hautement granulaire (Super-FGD), deux nouvelles TPC et six plans Time Of Flight.



Les nouvelles TPC seront lues par des détecteurs résistifs Micromegas et instrumentées avec une cage de champ compacte et légère. La TPC mesurera la charge ; l'impulsion et les directions des traces produites par les particules chargées et fournira une identification des particules par mesure de dE/dx avec une efficacité et une précision excellentes. Les prototypes de détecteurs des nouvelles TPC ont été testés avec succès en été 2018, 2019 et 2021 sur les faisceaux test du CERN et de DESY, validant les technologies des détecteurs et leurs performances.

Le groupe de l’IRFU est fortement impliqué dans le projet TPC, notamment dans la production et les tests des détecteurs Micromegas. La construction du détecteur est en cours pour une installation au Japon en 2022.



La première partie de la thèse sera consacrée à l'analyse des données de la TPC. L'étudiant contribuera à la mise en service et à la prise de données et à l’analyse des premières données de faisceaux prévues en 2023. Le travail portera sur la caractérisation du détecteur résistif Micromegas. Il s'agit d'un détecteur innovant, qui exploitera pour la première fois la technologie résistive pour améliorer la résolution sur la reconstruction des pistes dans la TPC. Le groupe de l’IRFU a été l'initiateur à la fois de la technologie originale Micromegas et de sa mise en œuvre en version résistive. Une R&D de pointe menée à l'IRFU a conduit aujourd'hui au déploiement d'une telle technologie dans un détecteur réel. Un travail fondateur et sans précédent de compréhension quantitative et de simulation de la propagation de la charge dans le détecteur résistif est en cours.



De nouveaux algorithmes de reconstruction sophistiqués doivent être développés pour profiter pleinement des nouvelles capacités du détecteur. En particulier, les informations temporelles liées aux phénomènes résistifs et encodées dans les formes des signaux doivent être exploitées. En effet, la technologie résistive apporte des performances améliorées mais aussi de nouveaux défis : l'étalement des charges sur plusieurs pads, induit par les phénomènes résistifs, augmentera fortement la multiplicité des signaux à analyser.



Les méthodes d'apprentissage automatique (ML) seront explorées pour effectuer la rejection des bruits de fond et l'identification des particules à l'étape de présélection, ainsi que la reconstruction des traces. Les méthodes d'apprentissage automatique sont connues pour avoir amélioré les performances de nombreuses expériences de physique des neutrinos (SNO, NEXT, NOvA, KamLAND-Zen, EXO-200, MINERvA). Produire des images comme des structures à partir des données des détecteurs permet de bénéficier des capacités de reconnaissance des formes de ces outils et d'améliorer les caractéristiques utiles des données, ils peuvent améliorer non seulement les tâches de classification des événements mais aussi des particules.



Nous proposons dans un premier temps d'appliquer les techniques de ML pour traiter les informations de la TPC. Le temps d'arrivée sur le plan de l'anode résistive donne la coordonnée z perpendiculaire à ce plan (x,y). Un événement dans la TPC est représenté par deux images se projetant sur les plans (x,y) et (y,z), l'échelle de couleur étant la charge du pad pour incorporer l'information sur dE/dx. Cela permettra de traiter les informations de la TPC comme des images et d'utiliser les puissants algorithmes ML utilisés dans l'analyse d'images. Nous prévoyons d'utiliser des implémentations reposant sur des réseaux de neurones convolutifs (CNN) (pour certains, en adaptant l'architecture CNN de GoogLeNet) initialement conçus pour la reconnaissance d'images. Pour réduire significativement le temps d'apprentissage, nous utiliserons des unités de traitement graphique (GPU), qui permettent d'effectuer des opérations de calcul en parallèle. Au niveau de la TPC, nous souhaitons utiliser ces techniques pour l'identification de particules (PID) et éventuellement pour la pour la reconnaissance de formes.



Ensuite, nous prévoyons d'utiliser des techniques ML combinant la TPC et le SFGD central pour l'identification de particules (muon provenant de pion ou de proton) ainsi que pour la classification d'événements. Dans le ND280, le faisceau de neutrinos muoniques interagit principalement via l'interaction quasi-élastique des courants chargés, par exemple (’µ + n ’ p + µ-). Pour l'analyse de l'oscillation, les données sont séparées par la topologie de l'événement dans l'une des trois catégories basées sur le nombre de pions de l'état final (aucun pion, un pion chargé ou un nombre quelconque de pions). Un référentiel sera préparé, qui contiendra les images dans un format adapté à l'entraînement de différents algorithmes ML. Les échantillons définis ci-dessus peuvent être sélectionnés en utilisant les données disponibles, collectées par T2K. D'autres événements chargés feront partie de l'échantillon de fond. Un cadre sera développé pour permettre le test de divers algorithmes de détection et de classification d'objets.



La deuxième partie de la thèse sera consacrée à l'analyse des données T2K des faisceaux des neutrinos, recueillies avec le détecteur amélioré ND280, afin d'extraire une nouvelle mesure, la plus précise possible, des oscillations de neutrinos. Les travaux porteront sur la définition du choix des nouveaux échantillons, l'évaluation des incertitudes systématiques expérimentales correspondantes et la modification du cadre d'analyse pour l'ajustement des paramètres d'oscillation des neutrinos. L'extraction des contraintes du détecteur proche doit être profondément modifiée pour inclure les informations des protons et des neutrons détectés provenant des interactions du neutrino avec les noyaux, qui ne sont pas pris actuellement en compte dans l’analyse.

IONS D’ANTIHYDROGENE : MESURE DE SECTIONS EFFICACES DE PRODUCTION ET PREMIERE DETECTION

SL-DRF-22-0784

Domaine de recherche : Physique des particules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Antimatière et gravitation (GAG)

Saclay

Contact :

Pauline Comini

Patrice Pérez

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2022

Contact :

Pauline Comini
CEA - DRF/IRFU/DPhP

+41227663573

Directeur de thèse :

Patrice Pérez
CEA - DRF/IRFU/DPhP

0612573587

Labo : https://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=784

Voir aussi : https://gbar.web.cern.ch/

La thèse s’inscrit dans le cadre de l’expérience GBAR au CERN, qui vise à mesurer l’accélération de la pesanteur 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.

La thèse se déroulera principalement au CERN. De 2022 à 2024, GBAR recevra du faisceau d’antiprotons et de H- et cette période sera donc consacrée à la préparation et la réalisation des mesures expérimentales. L’année 2025 sera en majorité dédiée au traitement des données et à la rédaction de la thèse.
Mesure de la luminosité du LHC avec le calorimètre à argon liquide d’ATLAS et recherche de particules lourdes à longue durée de vie

SL-DRF-22-0296

Domaine de recherche : Physique des particules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Atlas (ATLAS)

Saclay

Contact :

Philippe Schwemling

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2022

Contact :

Philippe Schwemling
CEA - DRF/IRFU

33 1 69 08 85 85

Directeur de thèse :

Philippe Schwemling
CEA - DRF/IRFU

33 1 69 08 85 85

Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les efforts des expériences LHC 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.



Lors du redémarrage du LHC début 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 sera basé sur l’analyse en temps réel des signaux numérisés à la volée.

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.

Une voie très prometteuse est l’utilisation de réseaux de neurones pour analyser les données.



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.

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.
Photo-Détecteur SiPM fin et rapide pour l'imagerie TEP temps de vol et de haute résolution spatiale

SL-DRF-22-0252

Domaine de recherche : Physique des particules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Santé et Energie (GSE)

Saclay

Contact :

Viatcheslav SHARYY

Dominique YVON

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2021

Contact :

Viatcheslav SHARYY
CEA - DRF/IRFU

0169086129

Directeur de thèse :

Dominique YVON
CEA - DRF/IRFU/DPHP

01 6908 3625

Page perso : https://irfu.cea.fr/Pisp/dominique.yvon/

Labo : https://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=3730&voir=3944

La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d'imagerie nucléaire largement utilisée en oncologie et en recherche neurobiologique. La désintégration du traceur radioactif émet des positrons, qui s'annihilent en deux photons de 511 keV. Ils permettront par la technologie du temps de vol de reconstruire le point d’annihilation et la distribution de l'activité du traceur dans le corps du patient.

Dans cette thèse, nous proposons de contribuer à un détecteur ambitieux et breveté, basé sur des cristaux Cherenkov/Scintillant. Le premier prototype est en cours de test au laboratoire.

L'appareil utilise des technologies avancées de détection rapide de particules : un cristal scintillateur dense, un photomultiplicateur à galette micro-canaux pour sa première face du cristal, des amplificateurs gigahertz et des modules d'acquisition rapide (WaveCatcher, SAMPIC).

Le doctorant travaillera à choisir les technologies et à réaliser un photo-détecteur mince, de haute résolution temporelle, (quelques dizaines de ps) destiné à instrumenter la seconde face du détecteur. La technologie aujourd’hui privilégiée serait une matrice de SiPM rapides.

Vous testerez les technologies de SiPM disponibles, participerez à la conception de l’assemblage du photodétecteur. Vous participerez aux mesures sur banc de test et sur prototypes et analyserez les données mesurées. Ceci dans le but d’optimiser la résolution temporelle, spatiale et l’efficacité du détecteur. Cela impliquera de nombreuses compétences en instrumentation: photo-détection, électronique rapide (analogique et numérique, à une précision de quelques picosecondes), simulations de détecteurs au moyen des logiciels GEANT4 et GATE.

Supervision

Le candidat retenu travaillera au sein du Département de physique des particules de l'IRFU en étroite collaboration avec le Département des détecteurs, d’électroniques et d’informatique pour la physique. Le groupe CaLIPSO comprend deux physiciens et deux étudiants et deux post-docs. Nous collaborons étroitement avec le CNRS-IJC-labs sur l'électronique de lecture rapide, avec le CPPM de Marseille et le CEA-SHFJ, sur les dispositifs d'imagerie médicale, le CEA-DES sur les algorithmes de reconstruction d'images, et avec l'Université de Munster (Allemagne).

Pré-Requis:

Des connaissances en physique générale, physique de l'interaction particules-matière, de la radioactivité et des principes des détecteurs de particules, ainsi que une vocation pour le travail instrumental, et pour l'analyse de données sont obligatoires. Etre à l'aise en programmation, avoir une formation en simulation Gate/Geant4 et en C++ seront un atout.

Compétences acquises:

Vous acquerrez des compétences en instrumentation de détecteurs de particules, en simulation de détecteurs de rayonnements, en photo-détection, sur la mise en œuvre, et l’exploitation d'électronique de numérisation rapide et en analyse de données.
TRAITEMENT/ANALYSE DES DONNÉES DES EXPERIENCES NUCLEUS ET CRAB POUR LA MESURE DE LA DIFFUSION COHERENTE DES NEUTRINOS DE REACTEUR

SL-DRF-22-0270

Domaine de recherche : Physique des particules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Sources et Réacteurs (GNSR)

Saclay

Contact :

Thierry Lasserre

Edoardo MAZZUCATO

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2022

Contact :

Thierry Lasserre
CEA - Liste des pôles/Liste des départements/Liste des services/Double Chooz

0169083649

Directeur de thèse :

Edoardo MAZZUCATO
CEA - DRF/IRFU/DPHP

+33169084476

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/thierry.lasserre/

Labo : https://irfu.cea.fr/en/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=2260

L'expérience NUCLEUS vise à détecter la diffusion élastique cohérente des neutrinos et des noyaux (CEvNS) à la centrale nucléaire de Chooz à l'aide de détecteurs cryogéniques à l'échelle du gramme à très bas seuil. Cette technologie permettra de miniaturiser les détecteurs de neutrinos et a le potentiel de sonder la physique au-delà du modèle standard de la physique des particules dans une deuxième phase à l'échelle du kilogramme. La compréhension approfondie des données de NUCLEUS sera réalisée par une expérience d'étalonnage dédiée, appelée CRAB, qui aura lieu à proximité du réacteur de recherche Triga à Vienne.

Le doctorat concerne l'analyse des données de la première phase de l'expérience NUCLEUS en intégrant les résultats de l'étalonnage de l’expérience CRAB dans l'analyse NUCLEUS. L'analyse sera effectuée selon les phases expérimentales suivantes : analyse des données de mise en service (TUM, 2022), analyse des données d'assemblage à blanc de NUCLEUS (TUM, 2023), analyse des données de neutrino de NUCLEUS (Chooz, 2024-25) et des données CRAB (Munich et Vienne, 2023-25). Le travail implique au préalable le développement d'une chaîne d'analyse dédiée, basée sur les progiciels CRESST existants, pour intégrer à terme l'analyse des données NUCLEUS et CRAB dans un cadre commun. La première étape de l'analyse implique classiquement un traitement à grande échelle des données brutes sur des clusters d'ordinateurs, y compris le tri sélectif et la reconstruction de l’énergie des dépôts d'énergie. Après cette phase, les données reconstruites nécessitent d'être traitées pour isoler les signaux attendus des divers fonds. En parallèle, les données d'étalonnage (provenant de sources radioactives, de systèmes de diodes électroluminescentes et des résultats du CRAB) et leurs incertitudes doivent être incorporées. Dans l'ensemble, de nouvelles méthodes d'analyse devront être élaborées afin d'exploiter la stratégie NUCLEUS de suppression des fonds (4pi-vetoing). Des possibilités de connexion avec des techniques d'apprentissage automatique de pointe pour améliorer les performances d'analyse seront également explorées et éventuellement mises en œuvre.

Vers la découverte de la violation de symétrie de charge-parité dans les oscillations de neutrinos

SL-DRF-22-0316

Domaine de recherche : Physique des particules
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Neutrinos Accélérateurs (GNA)

Saclay

Contact :

Georges VASSEUR

Sara Bolognesi

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2022

Contact :

Georges VASSEUR
CEA - DSM/IRFU/SPP

0169081461

Directeur de thèse :

Sara Bolognesi
CEA - DRF/IRFU/SPP/TK2

0169081461

L'étude des oscillations de neutrinos est entrée dans l'ère de la précision avec les expériences actuelles auprès d'accélérateurs, comme T2K. Dans ces expériences, les oscillations des neutrinos sont mesurées en comparant le taux et les spectres des neutrinos dans des détecteurs proches, placés à proximité de la source, et dans des détecteurs éloignés, placés à des centaines de kilomètres. T2K a publié en 2020 en couverture de la revue Nature les premiers indices excitants d’une violation de la charge-parité dans le secteur des leptons.

Le travail proposé pour cette thèse consiste en l'analyse des nouvelles données qui seront collectées par T2K avec un détecteur proche amélioré nécessitant de mettre en place une nouvelle stratégie d'analyse. En particulier, pour la première fois, la mesure des protons et neutrons produits par les interactions des neutrinos sera exploitée. De nouveaux modèles d'interactions neutrino-noyaux seront nécessaires pour utiliser ces informations supplémentaires : le groupe proposant cette thèse possède une expertise approfondie dans ce domaine.

Un autre point abordé dans la thèse est l'extrapolation des résultats obtenus aux mesures futures à haute statistique et aux combinaisons multi-expériences. L'étude des incertitudes systématiques les plus pertinentes aura un impact direct sur la conception des expériences de la prochaine génération, à laquelle le groupe participe également.

L'étudiant participera à l'installation et à la mise en service des nouvelles chambres à projection temporelle sur le site japonais du laboratoire JPARC fin 2022 et début 2023. Ce sera une excellente occasion d'acquérir une expérience très formatrice sur les détecteurs.

En résumé, cette thèse permettra d'acquérir une expertise sur les oscillations de neutrinos, un sujet d’avenir très prometteur, de développer des techniques d'analyse de pointe, de participer à l'installation d'un détecteur innovant et d'interagir avec une large communauté de physiciens nucléaires et de phénoménologues. Les résultats de l'analyse proposée des données de T2K fourniront les meilleures mesures mondiales sur les paramètres d'oscillation des neutrinos, notamment sur la première source possible de violation de la charge-parité dans le secteur des leptons.
Optimisation du module de détection ClearMind pour l'imagerie TEP haute résolution

SL-DRF-22-0257

Domaine de recherche : Technologies pour la santé et l’environnement, dispositifs médicaux
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique des Particules (DPHP)

Groupe Santé et Energie (GSE)

Saclay

Contact :

Dominique YVON

Viatcheslav SHARYY

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2022

Contact :

Dominique YVON
CEA - DRF/IRFU/DPHP

01 6908 3625

Directeur de thèse :

Viatcheslav SHARYY
CEA - DRF/IRFU

0169086129

Page perso : https://irfu.cea.fr/Pisp/viatcheslav.sharyy/

Labo : https://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=3730

La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d'imagerie nucléaire largement utilisée dans la recherche en oncologie et en neurobiologie. La désintégration du traceur radioactif émet des positrons, qui s'annihilent en deux photons de 511 keV. Grâce à la technologie du temps de vol, ils peuvent être utilisés pour reconstituer le point d'annihilation et la distribution de l'activité du traceur dans le corps du patient.

Dans cette thèse, nous proposons de contribuer au développement de la technologie 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. Le temps et les coordonnées de la conversion gamma dans le cristal sont reconstruits en utilisant des techniques d'apprentissage automatique.

Le candidat travaillera sur la caractérisation et l'optimisation du module de détection ClearMind. Cela comprend des tests fonctionnels avec un laser pulsé picoseconde et une source radioactive de 22Na, l'analyse des données à l'aide du logiciel ROOT/C++, la reconstruction des événements avec des algorithmes d'apprentissage automatique et l'interprétation des mesures à l'aide d’une simulation Geant4.

L'optimisation prévue du détecteur fera passer la technologie ClearMind du niveau TRL 2 au niveau 5/6. Elle consiste à améliorer la conception du module de détection et donc à augmenter l'efficacité de détection, à optimiser la lecture des signaux et à améliorer l'intégration du module de détection avec l'électronique de numérisation.

 

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