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Sujets de thèse
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DRF : Sujet de thèse SL-DRF-20-0407

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

Mesure du processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux auprès de réacteurs avec l'expérience NUCLEUS

RÉSUMÉ DU SUJET

Depuis la première détection du neutrino en 1956 sur la centrale de Savannah River aux USA, les réacteurs nucléaires jouent un rôle prépondérant dans l’étude de leurs propriétés. Les neutrinos sont des particules élémentaires de charge électrique nulle, et qui peuvent exister sous forme de trois saveurs, chacune associée à l’électron, au muon et à la particule tau. Les neutrinos possèdent notamment la propriété de pouvoir changer spontanément de saveur au cours de leur propagation. Ce phénomène, connu sous le nom d’oscillation des neutrinos, remet en cause le modèle standard de la physique des particules et appelle à de la nouvelle physique. La probabilité d’interaction des neutrinos avec la matière est si faible qu’il est souvent nécessaire de construire des détecteurs d’au moins plusieurs tonnes afin de les étudier. Cette thèse aborde une méthode novatrice de détection des antineutrinos de réacteurs utilisant le processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN). Ce processus présente une section efficace 10 à 1000 fois plus grande que les canaux d’interaction habituellement utilisés pour détecter les antineutrinos de réacteur (désintégration beta inverse, diffusion neutrino-électron), et ouvre ainsi la voie à une miniaturisation des détecteurs. Outre cet aspect technologique, la DCNN est un processus sensible à un large spectre de physique au-delà du modèle standard (recherche de nouveaux types d’interaction, études des propriétés électromagnétiques du neutrino, recherche de nouveaux états stériles, etc.), apportant ainsi un nouveau regard sur la nature et les propriétés de cette particule.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’expérience NUCLEUS, qui a pour but de mesurer pour la première fois ce processus auprès d’un réacteur nucléaire sur la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes. La signature expérimentale de la DCNN est un recul nucléaire de très basse énergie (<0.1-1 keV), rendant les technologies conventionnelles de détection des antineutrinos de réacteur inopérantes dans ce domaine en énergie. La collaboration NUCLEUS travaille ainsi à la conception d’un détecteur cryogénique de 10 grammes atteignant des seuils en énergie de l’ordre de 10 eV. Le travail proposé dans cette thèse a pour objectif la compréhension et la caractérisation des bruits de fond dans ce domaine en énergie qui reste encore largement inexploré. Ce travail constitue le défi majeur à relever pour garantir le succès de l’expérience, et mènera à la première détection de la DCNN sur un réacteur nucléaire.

En pratique, le (la) doctorant(e) contribuera au développement d’une chaine d’analyse de données pour exploiter les mesures de bruit de fond et les données d’étalonnage des détecteurs prises au cours des différentes étapes du projet (mesures sur un premier prototype de détecteur, mesures sur un montage à blanc complet de l’expérience puis mesures sur site à Chooz). Il (elle) s’appuiera sur un outil de simulation Monte Carlo développé par notre équipe, afin de confronter ses prédictions aux données expérimentales pour d’une part comprendre l’origine des bruits de fond dans la région d’intérêt du signal DCNN recherché, et d’autre part valider et qualifier les performances du détecteur. Une attention particulière sera portée au bruit de fond neutronique, ce dernier pouvant donner lieu à des reculs nucléaires en tout point similaires à ceux induits par la DCNN. L’étudiant(e) participera également au montage à blanc de l’expérience, à l’intégration de l’expérience sur site, suivi par la mise en service des détecteurs. Dans le cadre de ces activités, il (elle) pourra être amené à voyager régulièrement à Chooz ou à Munich.

A travers ce travail l’étudiant(e) aura une formation complète de physicien expérimentateur avec des aspects d’analyse de données, de simulation, de mise au point de détecteur et d’installation sur site. La thématique de la diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux est très active dans la communauté, et lui offrira une grande visibilité ainsi que de nombreuses perspectives de recherche à l’issue de la thèse. L’étudiant(e) évoluera au sein du groupe « neutrinos de basse énergie » qui se partage entre le département de physique des particules et le département de physique nucléaire de l’Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers (Irfu) au CEA Paris-Saclay. L’équipe possède une expertise internationale reconnue en physique des antineutrinos de réacteur (expériences Double Chooz, Nucifer et STEREO) et en physique des neutrinos de basse énergie (expériences CUORE, CUPID et KATRIN). L’étudiant(e) bénéficiera également 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. Dans son travail quotidien, il (elle) interagira avec aussi avec les départements d’ingénierie de l’Irfu en charge de la conception et de la coordination technique de l’expérience. La collaboration NUCLEUS regroupant des partenaires en Allemagne, Italie et en Autriche, il (elle) sera aussi amené(e) à travailler en proche collaboration avec ces derniers.

FORMATION NIVEAU MASTER RECOMMANDÉ

Physique des particules, physique nucléaire

INFORMATIONS PRATIQUES
Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service de Physique des Particules
Groupe Sources et Réacteurs (GNSR)
Centre : Saclay
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/10/2020
PERSONNE À CONTACTER PAR LE CANDIDAT

Matthieu Vivier  

CEA
DRF/IRFU/DPHP/Double Chooz
DSM/IRFU/SPP
Bât 141, pièce 153 A
91191 gif-sur-yvette

Téléphone : +33 1 69 08 66 26

UNIVERSITÉ / ÉCOLE DOCTORALE
Paris-Saclay
PHENIICS
DIRECTEUR DE THÈSE

Thierry Lasserre

CEA
DRF/IRFU/SPP
DSM/IRFU/SPP
Bât. 141
91191 Gif sur Yvette