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Sujets de thèse
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DRF : Sujet de thèse SL-DRF-21-0291

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

Conception, caractérisation et exploitation de MICROMEGAS résistifs pour le détecteur proche de DUNE

RÉSUMÉ DU SUJET

Description et problématique :

La communauté des détecteurs gazeux micro-structures (MPGD) présente un intérêt de plus en plus marqué pour les matériaux résistifs. Un effort international est en cours pour le développement et l'exploitation de cette technologie novatrice. Les principaux avantages sont liés à la stabilité face aux décharges électriques et plus récemment à l'amélioration de la résolution spatiale pour la lecture de charge de détecteurs comme les chambres à projection temporelle (TPC). Ces avancées permettront la production de détecteurs à la pointe de la technologie. En particulier pour les Micromegas, inventés à l'IRFU, cette technologie sera un élément crucial pour les programmes de physique visant l'étude des oscillations de neutrinos, un secteur très prometteur pour la recherche de nouvelle physique.

Les expériences T2K ou NOvA mènent à l'heure actuelle l’étude des oscillations de neutrinos utilisant un faisceau de neutrinos muoniques produit par des accélérateurs de particules. Le concept de DUNE est similaire avec une puissance de faisceau et une ligne de base plus importantes. Les neutrinos produits par l'interaction du faisceau avec une cible sont détectés sur deux sites: le détecteur proche à ~ 540 m et le détecteur lointain à ~1300 km. La synergie entre les détecteurs aux deux sites permet de mesurer les paramètres régissant l'oscillation des neutrinos et de réduire un grand nombre d'incertitudes liées au flux ou encore à la section efficace d'interaction des neutrinos. Cela devrait permettre une mesure précise de la phase de violation de CP ainsi que de la hiérarchie de masse des neutrinos. La mesure de la violation de CP dans le secteur leptonique serait une découverte majeure.

Le monitoring du faisceau pour DUNE sera effectué par le détecteur SAND, utilisant des Micromegas résistifs dans les TPCs servant à la mesure de traces. La construction du détecteur proche de DUNE devant se terminer en 2026, les prochaines années vont être cruciales pour le développement des technologies nécessaires.

Ce programme de physique nécessitera l'opération de TPCs fonctionnant de manière stable et fiable pendant plus de dix ans. Des études sur la caractérisation des propriétés des matériaux résistifs ou encore leur vieillissement face à des utilisations sur de longues durées, en présence de radiation ou dans des conditions extrêmes (courant de forte intensité, chute ou augmentation brutale de la température) sont ainsi nécessaires.

Description du groupe, laboratoire, encadrement :

La technologie Micromegas a été inventée à l'IRFU et le groupe neutrino aux accélérateurs a été au cœur des développements sur les Micromegas résistifs pour l'ILC. Cette participation se poursuit avec le déploiement actuel de la technologie pour le détecteur proche de T2K et les développements pour DUNE/SAND. Le groupe est composé de 6 permanents et 2 étudiants en lien avec les Micromegas résistifs. Les physiciens impliqués directement dans SAND forment une jeune équipe dynamique qui bénéficiera de l'expertise du groupe tout en développant la sienne sur une expérience amenée à opérer de nombreuses années.

L'étudiant(e) bénéficiera également de la collaboration avec les services techniques de l'IRFU/DEDIP, l'un des leaders internationaux du développement de MPGD. Des outils très avancés sur les détecteurs, l'acquisition, le slow-control et l'électronique lui seront ainsi accessibles. Des partenariats avec d'autres instituts de recherche (CERN, etc.) et des industriels existent et seront renforcés dans le contexte de ce travail.

Travail proposé :

L'étudiant(e) se concentrera sur la compréhension et la caractérisation détaillée de la feuille resistive utilisée pour les Micromegas résistifs. Les performances de ces détecteurs, cruciales pour la sensibilité de l'expérience, dépendent en grande partie de la résistivité et de la stabilité de ces feuilles et des études sont nécessaires avant la production des détecteurs d'ici fin 2025. Un certain nombre d'infrastructures sont disponibles au CEA (microscopie, faisceaux d'ions, etc.) et des partenariats internes seront ainsi développés. Le CERN sera un partenaire clé de ces études, de part l'acquisition prochaine des installations nécessaires à la production du matériau résistif.

L'étudiant(e) participera également à l'optimisation sur banc de test et par simulations du design des Micromegas résistifs pour les TPCs de SAND. Des tests en cosmiques et en faisceau seront nécessaires pour la caractérisation des détecteurs en conditions réelles. Ces tests seront effectués sur les lignes de faisceau du CERN et/ou de DESY ainsi que sur les infrastructures présentes à l'IRFU.

L'analyse des données de ces tests, qui s'effectuera en collaboration avec un chercheur post-doctoral, sera une des activités principales et pourra donner lieu à une publication. La construction du détecteur proche de T2K devant être terminée pour l'été 2022, l'étudiant(e) pourra, dès son stage, participer aux tests des détecteurs résistifs dans le cadre de la production pour un détecteur final.

Une autre activité possible utilisant les simulations du détecteur SAND dans son ensemble, permettra de réévaluer les incertitudes systématiques théoriques à l'aide de nouveaux modèles d'interaction neutrino-nucléon, contribution importante pour la sensibilité de SAND pour les mesures d'oscillations sur DUNE.

Formation et compétences requises :

Un Master en physique des particules avec des connaissances sur le Modèle Standard ou en lien avec la caractérisation de couches minces est un préalable à cette thèse. Un intérêt marqué pour l'instrumentation est souhaitable et une motivation pour la physique des astroparticules est un plus indéniable. Une initiation aux langages C++ et à ROOT sera également très utile. Des connaissances sur les méthodes de caractérisation de couches minces ainsi que la volonté de travailler à l'interface avec des partenaires académiques et industriels seront un atout majeur.

Compétences acquises :

L'étudiant(e) aura à la fin de sa thèse une bonne connaissance des détecteurs et outils informatiques utilisés dans une collaboration de physique des particules de part son implication dans leurs développements. Ses connaissances techniques sur les détecteurs ainsi que sur les méthodes d'analyse de données et de simulations pourront être valorisées dans d'autres contextes.

Collaboration/Partenariats :

L'étudiant(e) travaillera au sein de la collaboration internationale DUNE, comptant plus d'un millier de membres avec une forte contribution en Europe. Cela lui permettre d'acquérir une bonne expérience en physique des particules et une visibilité conséquente en participant notamment à des Écoles de Physique, ateliers et conférences où ses résultats seront présentés. Des collaborations avec des industriels seront également créées et développées, pour partie sous l'impulsion de l'étudiant(e).

FORMATION NIVEAU MASTER RECOMMANDÉ

Master en physique des particules ou instrumentation

INFORMATIONS PRATIQUES
Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service de Physique des Particules
Groupe Neutrinos Accélérateurs (GNA)
Centre : Saclay
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/10/2021
PERSONNE À CONTACTER PAR LE CANDIDAT

Guillaume Eurin  

CEA
DRF/IRFU/DPHP
IRFU/DPhP (bat141, p51a)
Centre CEA de Saclay (Essonne)
Gif-sur-Yvette
91191 cedex

Téléphone : +33 1 69 08 59 25

UNIVERSITÉ / ÉCOLE DOCTORALE
Paris-Saclay
PHENIICS
DIRECTEUR DE THÈSE

Samira Hassani

CEA
DRF/IRFU/DPHP/TK2
CEA Saclay
DRF/IRFU/SPP
91191 Gif Sur Yvette cedex