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Sujets de thèse
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DRF : Sujet de thèse SL-DRF-21-0270

DOMAINE DE RECHERCHE
Physique des particules / Physique corpusculaire et cosmos
INTITULÉ DU SUJET Français English

CALIBRATION DES BOLOMETRES A L’ECHELLE DU KeV ET DIFFUSION COHERENTE DES NEUTRINOS AVEC L’EXPERIENCE NUCLEUS

RÉSUMÉ DU SUJET

Le sujet central cette thèse est l’expérience NUCLEUS qui a pour motivation de mesurer la diffusion cohérente des neutrinos issus des réacteurs du site EDF de Chooz, dans les Ardennes. Bien que, dans la gamme d’énergie du MeV qui nous concerne, la diffusion cohérente sur les noyaux soit le mode d’interaction le plus probable des neutrinos avec la matière, il est extrêmement difficile à détecter car sa seule signature est le recul infime du noyau cible. Ainsi la première observation de ce processus date de 2017 seulement, avec des neutrinos de quelques dizaines de MeV issus de la source de spallation de Oak Ridge. La mesure auprès des réacteurs reste à faire et NUCLEUS a pour objectif une étude précise de ce couplage neutrino-matière encore inexploré, avec une sensibilité unique à une éventuelle nouvelle physique dans le secteur électrofaibe du modèle standard. La diffusion cohérente se distingue de la réaction bêta-inverse utilisée jusqu’à présent par une section efficace plusieurs ordres de grandeur supérieure permettant une miniaturisation des détecteurs : 10g de cible seulement pour la première phase de NUCLEUS. Enfin, l’absence de seuil de réaction (au lieu de 1.8 MeV pour la bêta-inverse) pourrait également permettre un suivi direct de l’accumulation de plutonium dans les cœurs de réacteur.

NUCLEUS utilisera des bolomètres en saphir (Al2O3) et en tungstate de calcium (CaWO4) sous forme de cristaux cubiques de 5 mm d’arête. Un seuil de détection de 20 eV a déjà été atteint avec cette technologie. Le travail de thèse proposé ici portera sur deux aspects centraux de l’expérience : la calibration des détecteurs et la réjection des rayons cosmiques, principale source de bruit de fond. Une calibration précise est en effet un ingrédient indispensable pour étudier la diffusion cohérente et pour atteindre la meilleure sensibilité sur une éventuelle nouvelle physique. Bien que la gamme d’énergie des reculs nucléaires attendus, de l’ordre de 100 eV, soit au-dessus des seuils de détection aucune méthode de calibration absolue des bolomètres n’existe actuellement pour cette nouvelle région d’intérêt. L’extrapolation des mesures disponibles à l’échelle du keV est problématique du fait d’une évolution rapide et non-triviale de la répartition des différents modes d’excitation : phonons, ionisation et scintillation. Une nouvelle méthode proposée par le Département de Physique Nucléaire du CEA-Saclay (DPhN) donnerait accès pour la première fois à des reculs nucléaires calibrés, dans le domaine des 100 eV et uniformément répartis dans le volume du bolomètre. La validation de cette méthode et une première mesure avec un bolomètre de NUCLEUS seront développées durant la thèse, en collaboration avec l’IJCLab d’Orsay, l’université de Munich (TUM) et l’université de Vienne (TU Wien). Applicable à différents types de bolomètres, cette méthode a potentiellement un fort impact scientifique vers les programmes de diffusion cohérente de neutrinos, de recherche de matière noire légère mais aussi de physique du solide.

Le DPhN est également fortement impliqué dans la réalisation du véto muon de NUCLEUS. Ce blindage actif entoure aussi hermétiquement que possible tout le dispositif de mesure avec des panneaux de plastique scintillant dont la lumière est extraite par des fibres optiques connectées à des Silicon-Photomultipliers (SiPM). Il a pour but de signer le passage des rayons cosmiques à proximité des bolomètres afin de rejeter tout événement (potentiellement bruit de fond) durant les ~100 microsecondes suivantes. L’exploitation des données de ce détecteur est une entrée naturelle vers l’analyse de NUCLEUS dont le démarrage de la prise de données sur site EDF est prévu fin 2022 – début 2023.

Enfin, le DPhN est également à l’origine de l’expérience STEREO qui a pour motivation la recherche de neutrinos stériles et la mesure précise du spectre neutrino issu de la fission de 235U. Elle est installée auprès du réacteur de recherche de l’ILL et termine sa prise de données cette année. Une partie du travail de thèse pourrait être orienté vers la combinaison des résultats finals de STEREO avec ceux d’autres expériences neutrino, effort déjà engagé avec la collaboration PROSPECT. Certaines techniques impliquées de déconvolution de spectre et de fit global pourraient être transférables à NUCLEUS.

Étapes du travail:

La priorité en début de thèse sera mise sur le développement de la méthode de calibration des bolomètres à 100 eV avec une première étape de validation de principe au CEA et à Orsay en 2021-22, puis une mesure avec les bolomètres de NUCLEUS en Allemagne en 2022-23. Ces travaux feront l’objet de publications techniques et physiques.

L’implication sur l’analyse des données de NUCLEUS montera en puissance en 2e partie de thèse. Le point d’entrée sera l’exploitation des données du véto muon installé sur le site EDF à partir de fin 2022. Le premier travail sera l’optimisation des gains et des seuils pour chaque SiPM afin d’assurer une forte réjection des rayons gamma ambiants, une grande efficacité de détection des muons et un temps mort d’acquisition maîtrisé. Un suivi automatique de l’évolution en temps des performances sera mis en place. La suite de l’analyse pourra se concentrer sur une source spécifique de bruit de fond générée par les rayons cosmiques.

En lien avec le travail sur la calibration des bolomètres des études de sensibilité pourront être menées dans le cadre des tests à basse énergie du modèle standard accessibles par NUCLEUS : évolution de sin2_theta_W, moment magnétique du neutrino … Une synergie avec certains développements de fin d’analyse de STEREO serait alors exploitable.

A travers ce travail l’étudiant(e) aura une formation complète de physicien expérimentateur avec des aspects de simulation, de mise au point de détecteur et d’analyse de données. Les thématiques de physique abordées, diffusion cohérente de neutrino et calibration des bolomètres, sont très actives dans la communauté et offriront de nombreuses perspectives de recherche à l’issue de la thèse. L’étudiant(e) évoluera dans des collaborations internationales. Au sein du CEA il (elle) bénéficiera du caractère « transverse » du neutrino et sera en interaction régulière avec les communautés de physique nucléaire, de physique des particules et de physique des réacteurs.

FORMATION NIVEAU MASTER RECOMMANDÉ

Master 2 ou équivalent en physique des particules, physique nucléaire ou physique des réacteurs.

INFORMATIONS PRATIQUES
Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service de Physique Nucléaire
Laboratoire etudes et applications des reactions nucleaires (LEARN)
Centre : Saclay
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/10/2021
PERSONNE À CONTACTER PAR LE CANDIDAT

David LHUILLIER  

CEA
DSM/IRFU/SPhN/MNM
CEA/Saclay
DSM/Irfu/SPhN Bat 703
91191 Gif-sur-Yvette

Téléphone : +33 1 69 08 94 97

UNIVERSITÉ / ÉCOLE DOCTORALE
Paris-Saclay
PHENIICS
DIRECTEUR DE THÈSE

David LHUILLIER

CEA
DSM/IRFU/SPhN/MNM
CEA/Saclay
DSM/Irfu/SPhN Bat 703
91191 Gif-sur-Yvette