Thèse

La prochaine génération d’expériences sur les neutrinos vise à atteindre une précision sans précédent dans la mesure des sections efficaces d’interaction des neutrinos, une condition essentielle pour réduire les incertitudes systématiques des futures expériences d’oscillation telles que DUNE et Hyper-Kamiokande. Le projet nuSCOPE, proposé au CERN, introduit une approche innovante reposant sur des faisceaux de neutrinos monitorés et étiquetés (tagged) individuellement, dans laquelle la reconstruction précise des particules chargées issues de la désintégration des mésons permet de déterminer le flux, la saveur et l’énergie des neutrinos. La réalisation de ce concept nécessite des systèmes de détection combinant une excellente résolution temporelle et spatiale, une capacité de fonctionnement à haut taux de comptage et une couverture de grandes surfaces.

Cette thèse propose d’étudier la détection à haute résolution temporelle et l’association de particules à l’aide de technologies complémentaires de détection gazeuse et au silicium. L’activité expérimentale principale portera sur le développement d’une nouvelle génération de détecteurs PICOSEC-Micromegas de grande surface, exploitant la production de lumière Cherenkov, sa conversion en photoélectrons et leur amplification rapide dans un gaz pour atteindre des résolutions temporelles de quelques dizaines de picosecondes. Une attention particulière sera accordée à la compréhension des mécanismes physiques limitant la résolution temporelle et l’efficacité de détection, à l’optimisation des photocathodes robustes, de la géométrie des détecteurs et de l’électronique de lecture, ainsi qu’au maintien de performances homogènes lors du passage à de plus grandes surfaces. L’intégration des couches de chronométrage PICOSEC avec des détecteurs Micromegas minces dédiés à la reconstruction des trajectoires sera également étudiée. En parallèle, le projet contribuera à la caractérisation des capteurs monolithiques au silicium MiniCACTUS, combinant une fine granularité spatiale, une haute résolution temporelle et une capacité de fonctionnement à haut taux de comptage pour les régions centrales du spectromètre.

Un objectif scientifique central sera d’établir le lien entre les performances des détecteurs et les capacités d’étiquetage des neutrinos. À travers des simulations et des études de reconstruction, le doctorant étudiera comment la résolution temporelle, la granularité spatiale, l’efficacité de détection et la multiplicité des particules influencent l’association des trajectoires, les coïncidences accidentelles et la reconstruction des neutrinos. Ces études fourniront des éléments quantitatifs pour optimiser les performances complémentaires des différentes technologies de détection.

Le programme expérimental s’appuiera sur les installations du CEA dédiées aux mesures par laser, aux muons cosmiques et aux sources radioactives, permettant de poursuivre les développements pendant l’arrêt prolongé des accélérateurs du CERN. Soutenue par le projet ANR EXTASE, récemment financé, qui fournira les moyens nécessaires à la réalisation des prototypes, aux équipements et aux déplacements scientifiques, cette thèse associera des développements innovants en instrumentation à une optimisation guidée par les objectifs de physique, contribuant ainsi au projet nuSCOPE et aux futurs systèmes de détection pour la physique des particules à haute intensité.