Département de Physique des Particules

Le groupe CMS du CEA-Saclay/IRFU/DPhP souhaite proposer une thèse sur la recherche de la production de paires de bosons de Higgs se désintégrant en une paire de quarks b, et une paire de leptons t. L'étude de cette production permet un accès direct à l'autocouplage du boson de Higgs, paramètre qui reste à mesurer. L’étudiant(e) sélectionné(e) prendra part à des activités de recherche déjà bien établies au sein de la collaboration CMS, et du groupe du CEA, en lien avec plusieurs instituts en France et à l’étranger. Il ou elle sera en charge du développement d’une analyse utilisant les données collectées lors du Run 3 du LHC, et de l’optimisation de sa stratégie de déclenchement par rapport à l’analyse précédente basée sur les données du Run 2. Plusieurs publications sont à prévoir: une première décrivant une analyse utilisant les données collectées en 2022 et 2023, combinées aux données du Run 2 pourra être considérée si le gain en sensibilité attendu est avéré, suivi d’une nouvelle publication basée sur l’ensemble des données des Runs 2 et 3. Une contribution à la combinaison des diverses analyses HH sera aussi envisagée.
En parallèle, il ou elle pourra prendre part aux activités de développement calorimétrique en cours au CEA-Saclay, bénéficiant de la grande expertise du groupe sur le sujet.

Ce projet de thèse concerne la mesure précise de l'angle de mélange électrofaible avec expérience ATLAS, au LHC. L’évolution avec l’énergie de ce paramètre fondamental sera également testée. La mesure sera basée sur l'ensemble des données di-muon des runs 2 et 3 du LHC, et exploitera le spectromètre à muons comme instrument principal.

La détermination de l'angle de mélange est basée sur la mesure de l’asymétrie avant-arrière des muons de désintégration du boson Z. Pour un contrôle précis des incertitudes systématiques, l'alignement interne du spectromètre doit être optimisé. Cet alignement constitue une part importante du projet. La performance de la New Small Wheel, nouveau détecteur à muons installé pour le run 3, devra également être comprise en détail. La mesure à proprement parler sera réalisée à l'issue de ces études préliminaires, et interprétation du résultat complétera la thèse.

Ce projet de thèse concerne la mesure précise de l'angle de mélange électrofaible avec l'expérience P2, auprès de accélérateur MESA, a Mayence. La mesure permettra de tester, pour la première fois, la prédiction du Modèle Standard pour l’évolution de ce paramètre fondamental en fonction de l’échelle d’énergie, et les effets d'éventuelles nouvelles particules ou interactions.

La détermination de l'angle de mélange repose sur une mesure précise de la variation de la section efficace de diffusion d'un faisceau d'électrons, sur une cible d'hydrogène liquide, en fonction de la polarisation du faisceau. Cette asymétrie, mesurée en diffusion vers l'avant, est affecté d'incertitudes systématiques importantes liées à la structure du proton. Une mesure de la diffusion vers l'arrière, à l'aide d'un détecteur dédié, permet de réduire ces incertitudes, et constitue l'objet de cette thèse.

Le projet de thèse arrive a un moment crucial par rapport au développement de l'expérience, et permettra à l'étudiant-e de participer directement à la construction d'un détecteur de très haute performance, à son installation dans l'expérience P2, et à son exploitation scientifique.

La double désintégration bêta sans neutrinol (0n2b) est une transition nucléaire théorique dont l'observation constituerait une étape majeure dans la physique des particules et, en particulier, des neutrinos. Ce processus, s'il existe, viole la loi de conservation du nombre de leptons et confirme la nature de Majorana du neutrino. La détection de 0n2b est une tâche difficile, car il s'agit d'une désintégration très rare (T1/2>10^26 ans), et les expériences nécessitent une grande efficacité de détection, une résolution en énergie, une radiopureté, une grande masse et des niveaux de bruit de fond très faibles. Plusieurs expériences à l'échelle de la tonne sont en préparation, mais en parallèle, de nouvelles approches doivent être étudiées pour obtenir des niveaux de sensibilité plus élevés. Le projet TINY propose une nouvelle technologie de détection, basée sur des détecteurs cryogéniques (mesurés à des températures de l'ordre du mK). Le sujet de thèse sera principalement consacré au développement de nouveaux capteurs thermiques, à la caractérisation de détecteurs contenant du Zr- et du Nd, à l'évaluation des performances et à l'évaluation de l'applicabilité de la technologie pour une expérience à l'échelle de la tonne. L'étudiant développera des compétences sur le fonctionnement des installations cryogéniques, le traitement des signaux, l'analyse des données et les simulations. Enfin, un démonstrateur sera préparé dans le but d'établir de nouvelles limites pour le 0n2b pour le 96-Zr et le 150-Nd, et d'effectuer des mesures de précision de la désintégration du 2n2b.

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.

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 photons sont détectées en coïncidence et utilisées pour reconstituer la distribution de l'activité du traceur dans le corps du patient.
Nous vous proposons de contribuer au développement d’une technologie ambitieuse et brevetée : ClearMind.
Vous travaillerez dans un laboratoire d’instrumentation avancé dans un environnement de physique des particules.
Il s’agira d’abord d’optimiser les « composants » des détecteurs ClearMind, pour parvenir à des performances nominales. Nous travaillerons sur les cristaux scintillants, les interfaces optiques, les couches photo- électriques et les photo-détecteurs rapides associés, les électroniques de lectures.
Il s’agira ensuite de caractériser les performances des détecteurs prototypes sur nos bancs de mesure en développement continu. Les données acquises seront interprétées au moyen de logiciels d’analyse « maison » écris en langage C++ et/ou Python.
Il s’agira enfin de modéliser le fonctionnement physique de nos détecteurs au moyen de logiciels de
simulation Monté-Carlo (logi- ciels Geant4/Gate)) et de confronter nos simulations à nos résultats sur bancs de mesure. Un effort particulier sera consacré au développement de cristaux scintillants ultra rapides dans le contexte d’une collaboration européenne.

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 [1] de nouveaux résultats aboutissant à la meilleure contrainte à ce jour sur le paramètre dCP, qui traduit dans la théorie le degré d’asymétrie entre matière et antimatière. Les résultats de T2K excluent pour la première fois près de la moitié des valeurs possibles à 99.7% (3s) et la valeur la plus compatible avec les données est très proche de -90° correspondant à une asymétrie maximale entre la matière et l’antimatière. T2K a la meilleure sensitivité mondiale pour ce paramètre fondamentale 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 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 l’analyse des données pour la mesure des oscillation des neutrinos avec un nouveau détecteur proche installé en 2023. L'objectif de ce nouveau détecteur est 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% (contre environ 8 % à ce jour).
L’étudiant travaillera sur la mesure des oscillations des neutrinos avec les nouvelles données de T2K. 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 moment 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 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 propose dans cette thèse ouvrira des nouvelles stratégie d’analyse essentielles aussi 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.

Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre de l’expérience NUCLEUS, qui a pour but de mesurer précisément le processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN) sur la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes. Bien qu’aux énergies du ~MeV, la DCNN soit le mode prépondérant d’interaction des neutrinos avec la matière, elle est restée très longtemps inobservée à cause de la difficulté à mesurer les faibles reculs nucléaires qu’elle produit. Ce n’est que 40 ans après sa prédiction que ce processus a été observé pour la première fois en 2017 avec des neutrinos de quelques dizaines de MeV à l’accélérateur du laboratoire d’Oak Ridge. La détection de ce processus sur un réacteur nucléaire reste à faire, notamment parce que les reculs nucléaires correspondants se situent dans une gamme en énergie (~100 eV) très difficilement accessible avec des technologies de détection conventionnelles, mais aussi à cause des conditions de bruit de fond généralement défavorables qu’offre l’environnement d’une centrale nucléaire. La collaboration NUCLEUS développe ainsi un système de détection innovant répondant à ces deux problématiques. Il utilisera deux réseaux de calorimètres cryogéniques d’une masse d’environ 10g capables d’atteindre des seuils de l’ordre de 10eV, entourés par un double système de blindages cryogéniques instrumentés. Cet ensemble de détecteurs cryogéniques, installé dans un cryo-réfrigérateur à tube pulsé, sera protégé par un blindage radiologique externe et par un véto muon pour améliorer l’identification et la discrimination des bruits de fond externes typiquement présents sur un site expérimental en surface tel que celui aménagé à Chooz pour l’expérience (rayons cosmiques secondaires et radioactivité naturelle). Avec cet ensemble, NUCLEUS a pour objectif une première observation de la DCNN auprès d’un réacteur nucléaire, en établissant une toute nouvelle technique pour la détection des antineutrinos de réacteur. Dans une seconde phase, NUCLEUS augmentera sa masse de détecteur cible pour une mesure précise de la DCNN afin de pousser l’étude des propriétés fondamentales du neutrino ainsi que la recherche de nouvelle physique vers les basses énergies, domaine qui reste aujourd’hui largement inexploré. La DCNN se distingue d’autre part des canaux usuels de détection des neutrinos du MeV (désintégration beta inverse, diffusion neutrino-électron), par une section efficace 10 à 1000 fois supérieure, permettant d’entrevoir à terme une miniaturisation des détecteurs de neutrinos à longue portée.

L’expérience est actuellement dans une première phase de mise en service et de tests dans les locaux de l’université technique de Munich. S’ensuivront courant 2024 plusieurs prises de données, dont le but est de (i) qualifier et valider les performances des différents détecteurs, (ii) valider la stratégie globale de réduction des bruits de fond et (iii) étudier et mitiger « l’excès », un accroissement exponentiel du taux de comptage d’évènements à basse énergie observés dans les calorimètres cryogéniques, d’origine inconnue, et qui pourrait dégrader la sensibilité de l’expérience à un signal DCNN. Le déménagement sur la centrale nucléaire de Chooz se fera après l’été 2024, phase qui sera pilotée par nos équipes. C’est dans ce contexte que l’étudiant(e) débutera sa thèse, en participant à l’ensemble des opérations d’intégration et de mise en service de l’expérience sur site. Cette étape cruciale nécessitera la mise en place de nombreux tests et prises de données pour régler, mettre au point et synchroniser les différents systèmes de détection de l’expérience. Elle/il se concentrera particulièrement sur le véto cryogénique externe et le véto muon, qui ont été conçus et réalisés par nos équipes. L’analyse et l’exploitation des données issues de cette phase de mise en service permettront à l’étudiant(e) de se familiariser avec l’ensemble des outils d’analyse bas- et haut-niveau existants pour le diagnostic et la caractérisation de ces détecteurs. L’une de ses tâches sera à terme d’améliorer ces outils, et de mettre en place une chaine d’automatisation pour le diagnostic et le traitement du large volume de données journalières (environ 10 TB) qui sera pris lors du premier run de physique de l’expérience.
L’extraction du signal de DCNN nécessite en amont plusieurs études. La première est de caractériser la réponse en énergie et en temps des détecteurs sur la période de prise de données. L’étudiant(e) prendra en charge l’une de ces tâches, en s’appuyant sur le travail déjà accompli pendant la phase de mise en service. Ce travail aboutira à une compréhension fine du fonctionnement des détecteurs et l’identification de tous les facteurs susceptibles d’influer sur leur comportement. À noter que notre équipe a proposé et est responsable d’une méthode d’étalonnage innovante des calorimètres cryogéniques aux reculs nucléaires, avec l’installation d’un banc de mesures dédié sur un réacteur de recherche de faible puissance situé à l’université technique de Vienne (Autriche). L’étudiant(e) pourra éventuellement s’impliquer dans cet effort en vue de l’interprétation des données collectées à Chooz. Fort de ces résultats, l’étudiant(e) s’attachera ensuite à l’extraction et à l’étude d’une composante spécifique de bruit de fond dans les données. Ce travail permettra de consolider et d’ajuster un modèle prédictif des bruits de fond de l’expérience utilisant l’outil de simulation Monte Carlo Geant 4. Enfin, l’étudiant(e) s’attachera à mettre en place des tests statistiques simples pour caractériser le niveau de confiance avec lequel un signal DCNN peut-être extrait des données après soustraction des bruits de fond mesurés.
Pour terminer, l’étudiant(e) pourra utiliser les premières données issues du run de physique à Chooz pour mener une étude originale sur la recherche de nouvelle physique avec la DCNN (mesure de l’angle de Weinberg à basse énergie, recherche de nouveaux couplages des neutrinos à la matière, études des propriétés électromagnétiques du neutrino, etc.). Ce travail nécessitera de mettre en place des outils fins de traitement statistique des données, afin d’une part de comprendre l’impact des différentes sources d’incertitudes, d’origine expérimentale ou théorique, sur les contraintes obtenues, et d’autre part de garantir la fiabilité des résultats.

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.

Particle reconstruction in collider detectors is a multidimensional problem where machine learning algorithms offer the potential for significant improvements over traditional techniques. In the Compact Muon Solenoid (CMS) detector at the Large Hadron Collider (LHC), photons and electrons produced by the collisions at the interaction point are recorded by the CMS Electromagnetic Calorimeter (ECAL). The large number of collisions, coupled with the detector's complex geometry, make the reconstruction of clusters in the calorimeter a formidable challenge. Traditional algorithms struggle to distinguish between overlapping clusters created by proximate particles. In contrast, It has been shown that graph neural networks offer significant advantages, providing better differentiation between overlapping clusters without being negatively affected by the sparse topology of the events. However, it is crucial to understand which extracted features contribute to this superior performance and what kind of physics information they contain. This understanding is particularly important for testing the robustness of the algorithms under different operating conditions and for preventing any biases the network may introduce due to the difference between data and simulated samples (used to train the network).
In this project, we propose to use Gradient-weighted Class Activation Mapping (Grad-CAM) and its attention mechanism aware derivatives to interpret the algorithm's decisions. By evaluating the extracted features, we aim to derive analytical relationships that can be used to modify existing lightweight traditional algorithms.
Furthermore, with the upcoming High Luminosity upgrade of the LHC, events involving overlapping clusters are expected to become even more frequent, thereby increasing the need for advanced deep learning techniques. Additionally, precision timing information of the order of 30 ps will be made available to aid in particle reconstruction. In this PhD project, we also aim to explore deep learning techniques that utilize Graph and Attention mechanisms (Graph Attention Networks) to resolve spatially proximate clusters using timing information. We will integrate position and energy deposition data from the ECAL with precision timing measurements from both the ECAL and the new MIP Timing Detector (MTD). Ultimately, the developed techniques will be tested in the analysis of a Higgs boson decaying into two beyond-the-standard-model scalar particles.

We are seeking an enthusiastic PhD candidate who holds an MSc degree in particle physics and is eager to explore cutting-edge artificial intelligence techniques. The selected candidate will also work on the upgrade of the CMS detector for the high-luminosity LHC.

Cette thèse propose de mesurer de manière cohérente les différents processus rares de production de quarks top en association avec des bosons, dans l’état final avec deux leptons de même signe ou trois leptons chargés au grand collisionneur de hadrons. La thèse sera basée sur l’analyse du lot de données collecté et en cours d’acquisition par l’expérience ATLAS à une énergie record. L’analyse conjointe des processus ttW, ttZ, ttH et 4top où un signal est bruit de fond de l’autre permettra d’avoir des mesures complètes et non biaisées de l’état final avec plusieurs leptons.
Ces processus rares, accessibles récemment au LHC, peuvent sonder les modèles de nouvelle physique pour lesquels le quark top est un outil prometteur, en particulier en utilisant des théories des champs effectives. Découvrir des signes de nouvelle physique qui dépasse les limitations du modèle standard est une question fondamentale de la physique des particules à l’heure actuelle.