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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 découverte de l'oscillation des neutrinos a démontré que leur masse est non nulle. Cela ne peut s'expliquer dans le cadre du Modèle Standard de la Physique des Particules. La physique des neutrinos est donc un secteur très prometteur pour la recherche de nouvelle physique.

Un certain nombre d'expériences mènent à l'heure actuelle l'étude des oscillations comme T2K ou NOvA. Ces expériences utilisent un faisceau de neutrinos muoniques produit par des accélérateurs de particules. DUNE fait partie des projets en cours de développement dans ce domaine. DUNE aura une masse très grande (4x17 kt), une puissance de faisceau plus importante et se caractérise par une longue ligne de base. Cela devrait permettre une mesure précise de la phase de violation de CP (deltaCP) ainsi que de la hiérarchie de masse des neutrinos. La mesure de la violation de CP dans le secteur leptonique serait une découverte majeure. Celle-ci est connectée dans certains modèles de nouvelle physique à l'asymétrie matière-antimatière observée dans l'Univers. T2K a d'ores et déjà posé la première contrainte sur la valeur de deltaCP en excluant à 90% la conservation de CP dans le secteur leptonique (deltaCP = 0).

Le concept de DUNE est similaire aux expériences existantes. Les neutrinos produits par l'interaction du faisceau avec une cible sont détectés sur deux sites: le détecteur proche à ~210~m et le détecteur lointain à ~1300~km. La comparaison entre les spectres observés aux deux sites permet de mesurer les paramètres régissant l'oscillation des neutrinos. La synergie entre les détecteurs aux deux sites permet de réduire un grand nombre d'incertitudes liées au flux ou encore à la section efficace d'interaction des neutrinos.

La construction du détecteur proche de DUNE devant commencer fin 2026 - début 2027, les prochaines années vont être cruciales pour le développement des technologies déployées dans le détecteur et des méthodes d'analyse de données nécessaires à leur exploitation scientifique.

Le monitoring du faisceau pour DUNE sera effectué par le détecteur SAND, largement inspiré de celui de T2K. L'étudiant(e) participera au développement et à l'optimisation des détecteurs Micromegas resistifs pour la lecture de la charge dans les chambres à projections temporelles servant à la mesure de traces dans SAND. Le travail se déroulera dans le cadre de la collaboration internationale DUNE avec une participation possible aux tests et à l'intégration des détecteurs dans le détecteur proche de T2K: ND280-Upgrade.

Description du groupe, laboratoire, encadrement:

La collaboration DUNE est une collaboration internationale de plus d'un millier de membres avec une forte contribution en Europe.

Le groupe neutrino aux accélérateurs de l'IRFU/DPhP est actif dans la collaboration depuis plusieurs années grâce notamment aux développements de la technologie double phase pour le détecteur lointain.

Les activités sur le détecteur proche SAND héritent directement de l'expertise acquise pour la conception des détecteurs Micromegas résistifs pour le détecteur proche de T2K. Dans ce cadre, le groupe neutrino aux accélérateurs est composé de 6 permanents et 2 étudiants en lien avec les Micromegas résistifs.

L'étudiant(e) bénéficiera également de la collaboration avec les services techniques de l'IRFU/DEDIP, l'un des leaders internationaux du développement de détecteurs micro-structure. Des outils très avancés sur les détecteurs, l'acquisition, le slow-control et l'électronique lui seront ainsi accessibles.

Travail proposé:

L'étudiant(e) participera 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. Une contribution importante à l'installation des détecteurs sur site ainsi qu'à leur opération est envisagée. 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.

L'autre activité principale de l'étudiant(e) se situera au niveau de l'analyse des données de simulations du détecteur SAND dans son ensemble. Ce travail 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. Cette analyse sur les modèles nucléaires, actuellement développée dans le groupe pour T2K, devra être adaptée pour DUNE en incorporant les développements instrumentaux spécifiques avec les différents prototypes. Le développement des algorithmes de reconstruction des traces dans les TPC de SAND se fera également en étroite collaboration avec les membres du groupe travaillant sur cette activité pour le détecteur proche de T2K.

Formation et compétences requises:

Un Master en physique des particules avec des connaissances sur le Modèle Standard est un préalable a cette thèse. Un intérêt marqué pour l'instrumentation est souhaitable et une motivation pour la physique des neutrinos est un plus indéniable. Une initiation au langages C++ et à ROOT sera également très utile.

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 d'une très grande collaboration internationale. Cela lui permettre d'acquérir une bonne expérience en physique des particules et une visibilité conséquente en participant à des Écoles de Physique, ateliers et conférences où ses résultats seront présentés.

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