Recherche de nouvelle physique via la production résonante de paires de bosons de Higgs
Depuis la découverte du boson de Higgs (H) en 2012 par les expériences ATLAS et CMS, et après un peu plus de 10 ans passés à étudier ses propriétés, en particulier grâce aux larges ensembles de données du Run 2 du LHC collectés par les deux collaborations entre 2015 et 2018, tout semble indiquer que nous avons finalement complété le Modèle Standard (MS), tel qu’il avait été prédit il y a soixante ans. Cependant, malgré le succès de cette théorie, de nombreuses questions restent sans réponse, et des études approfondies du secteur scalaire du MS pourraient nous donner des indices pour les aborder.
L'étude de la production double de bosons de Higgs (HH) suscite actuellement un intérêt particulier dans la communauté de physique des hautes énergies, car elle constitue le meilleur moyen expérimental d'accéder à l'auto-couplage du H, et par conséquent au potentiel de Higgs V(H). Grâce à ses liens directs avec la transition de phase électrofaible (EWPT), la forme de V(H) revêt une importance particulière pour les modèles au-delà du Modèle Standard (BSM) qui tentent, par exemple, d'expliquer la baryogenèse primordiale et l'asymétrie entre la matière et l'antimatière dans notre univers. Certaines de ces modèles prédisent un secteur scalaire étendu, impliquant l'existence de bosons de Higgs additionnels, souvent interagissant de manière privilégiée avec le H du MS.
Le groupe CMS du CEA-Saclay/IRFU/DPhP souhaite donc proposer une thèse sur la recherche de la production HH résonante, se focalisant sur le canal H(bb)H(tautau), dans l'objectif de contraindre les modèles en question, et impliquant pour la première fois une caractérisation complête du signal BSM et de ses interférences avec le MS. L’étudiant(e) sélectionné(e) prendra part à des activités de recherche déjà bien établies au sein de la collaboration CMS, et du groupe du CEA, en lien avec plusieurs instituts en France et à l’étranger.
Estimation rapide des paramètres des ondes gravitationnelles pour la mission spatiale LISA
Contexte
En 2016, l'annonce de la première détection directe d'ondes gravitationnelles a ouvert une ère où l'univers sera sondé de manière inédite. Parallèlement, le succès de la mission LISA Pathfinder a permis de valider certaines technologies sélectionnées pour le projet LISA (Laser Interferometer Space Antenna). L'année 2024 a commencé avec l'adoption de la mission LISA par l'Agence spatiale européenne (ESA) et la NASA. Cet observatoire spatial des ondes gravitationnelles sans précédent sera composé de trois satellites distants de 2,5 millions de kilomètres et permettra la détection directe d'ondes gravitationnelles à des fréquences indétectables par les interféromètres terrestres. L'ESA prévoit un lancement en 2035.
Parallèlement aux aspects techniques, la mission LISA présente plusieurs défis en matière d'analyse des données qui doivent être relevés pour assurer le succès de la mission. La mission doit prouver qu'avec des simulations, la communauté scientifique sera en mesure d'identifier et de caractériser les signaux d'ondes gravitationnelles détectés. L'analyse des données comporte plusieurs étapes, dont le pipeline d'analyse rapide, dont le rôle est de détecter de nouveaux événements et de caractériser les événements détectés. Le dernier point concerne l'estimation rapide de la position dans le ciel de la source d'émission des ondes gravitationnelles et de leur temps caractéristique, comme le temps de coalescence pour une fusion de trous noirs.
Ces outils d'analyse constituent le pipeline d'analyse à faible latence. Outre son intérêt pour LISA, ce pipeline joue également un rôle essentiel pour permettre l'astronomie multi-messagers, qui consiste à surveiller rapidement les événements détectés par des observations électromagnétiques (observatoires terrestres ou spatiaux, des ondes radio aux rayons gamma).
Projet de doctorat
Le projet de doctorat se concentre sur le développement d'outils de détection et d'identification d'événements pour le pipeline d'alerte à faible latence (LLAP) de LISA. Ce pipeline sera une partie essentielle du flux de travail d'analyse de LISA, fournissant une détection rapide des binaires de trous noirs massifs, ainsi qu'une estimation rapide et précise des localisations du ciel des sources ainsi que du temps de coalescence. Ces informations sont essentielles pour les suivis multi-messager ainsi que pour l'analyse globale des données de LISA.
Alors que des méthodes d'analyse rapide ont été développées pour les interféromètres terrestres, le cas des interféromètres spatiaux tels que LISA reste un domaine à explorer. Un traitement adapté des données devra prendre en compte la façon dont les données sont transmises par paquets, ce qui rendra nécessaire la détection d'événements à partir de données incomplètes. En utilisant des données entachées d'artefacts tels que des glitchs ou des paquets de données manquants, ces méthodes devraient permettre la détection, la discrimination et l'analyse de diverses sources : fusions de trous noirs, EMRI (binaires spirales avec des rapports de masse extrêmes), sursauts et binaires provenant d'objets compacts. Un dernier élément de complexité crucial est la rapidité d'analyse, qui constitue une contrainte forte pour les méthodes à développer.
A cette fin, les problèmes que nous aborderons au cours de cette thèse seront les suivants :
1. L'inférence rapide des paramètres des ondes gravitationnelles, notamment la position du ciel et le temps de coalescence. Deux des principales difficultés résident dans la multimodalité de la distribution de probabilité a posteriori des paramètres cibles et dans les exigences strictes en matière de temps de calcul. À cette fin, nous envisagerons différentes stratégies d'inférence avancées, notamment
(a) L'utilisation d'algorithmes d'échantillonnage basés sur le gradient comme les diffusions de Langevin ou les méthodes de Monte Carlo Hamiltoniennes adaptées au problème des ondes gravitationnelles de LISA,
(b) l'utilisation de méthodes assistées par l'apprentissage automatique pour accélérer l'échantillonnage (par exemple, les normalising flows),
(c) l'utilisation de techniques d'inférence variationnelle.
2. Détection précoce des fusions de trous noirs.
3. La complexité croissante des données LISA, y compris, entre autres, un bruit réaliste, une réponse réaliste de l'instrument, des glitches, des données manquantes et des sources qui se superposent.
4. Le traitement en ligne des paquets de données de 5 minutes avec le cadre d'inférence rapide développé.
Cette thèse sera basée sur l'application de méthodes bayésiennes et statistiques pour l'analyse des données et l'apprentissage automatique. Cependant, un effort sur la partie physique est nécessaire, à la fois pour comprendre les simulations et les différentes formes d'ondes considérées (avec leurs hypothèses sous-jacentes) et pour interpréter les résultats concernant la détectabilité des signaux de fusion de trous noirs dans le contexte de l'analyse rapide des données LISA.
Near-threshold phenomena in nuclear structure and reactions
Il est proposé d'étudier les effets saillants du couplage entre les états discrets et continus à proximité de divers seuils d'émission de particules en utilisant le modèle en couches dans le plan d'énergie complexe. Ce modèle fournit la formulation unitaire d'un modèle en couches standard dans le cadre du système quantique ouvert pour la description d'états nucléaires bien liés, faiblement liés et non liés. Des études récentes ont démontré l'importance de l'énergie de corrélation résiduelle du couplage aux états du continuum pour la compréhension des états propres, leur énergie et modes de désintégration, au voisinage du canaux de reaction. Cette énergie résiduelle n'a pas encore été étudiée en details. Les études de cette thèse approfondiront notre compréhension des effets structurels induits par le couplage au continuum et apporteront un support aux études expérimentales au GANIL et ailleurs.
Spectrométrie et Intelligence Artificielle : développement de modèles IA explicables, sobres et fiables pour l'analyse de matériaux
La découverte de nouveaux matériaux est cruciale pour répondre à de nombreux défis sociétaux actuels. Un des piliers de cette capacité de découverte et de disposer de moyens de caractérisation de ces matériaux qui soient rapides, fiables et dont les incertitudes de mesure soient qualifiées, voire quantifiées.
Ce projet de thèse s’inscrit dans cette démarche et vise à l'exploitation optimale des différentes techniques de spectrométrie induite par faisceaux d'ions (IBA) en utilisant des méthodes d'intelligence artificielle (IA) avancées. Ce projet se donne pour cadre le développement de modèles IA explicables, sobres et fiables pour l'analyse de matériaux.
Le sujet de thèse proposé ici se donne trois objectifs principaux :
- Développer un modèle d'incertitude utilisant des techniques d’apprentissage automatique sur des bases probabilistes pour quantifier les incertitudes associées à une prédiction.
- Du fait du très grand nombre de configurations qu'il est possible de générer par analyse combinatoire, Il convient de bien comprendre la dimensionnalité intrinsèque du problème. Nous souhaitons mettre en place des moyens de réduction massive de dimensionnalité, notamment des méthodes non linéaires telles que les autoencodeurs, ainsi que des concepts de PIML (Physics Informed Machine Learning).
- Évaluer la possibilité de généralisation de cette méthodologie à d’autres techniques spectroscopiques.
Développement d'un cadre d'analyse basé sur le ML pour la caractérisation rapide des conteneurs de déchets nucléaires par tomographie muonique
Cette thèse de doctorat vise à développer un cadre d'analyse avancé pour l'inspection des conteneurs de déchets nucléaires à l'aide de la tomographie muonique, et plus particulièrement via la méthode par diffusion des muons. La tomographie muonique, qui exploite les muons naturels issus des rayons cosmiques pour scanner des structures denses, s'est avérée précieuse dans des domaines dans lesquels les méthodes d'imagerie traditionnelles sont inefficaces. Le CEA/Irfu, avec son expertise dans les détecteurs de particules, cherche à exploiter l'intelligence artificielle (IA) et le Machine Learning (ML) pour optimiser l'analyse des données des muons, notamment pour réduire les temps d'exposition et améliorer la fiabilité des images.
Le projet consistera à se familiariser avec les principes de la muographie, à simuler les interactions des muons avec les conteneurs de déchets et à développer des techniques de traitement d'images et d'augmentation de données basées sur le ML. Le résultat devrait aboutir à des outils efficaces permettant d'interpréter les muographies (images de tomographie muonique), d’accélérer l’analyse et de classifier de manière fiable le contenu des conteneurs. L'objectif de la thèse est d'améliorer la sécurité et la fiabilité de l'inspection des déchets nucléaires en produisant des muographies plus nettes, plus rapides et plus interprétables grâce à des méthodes d'analyse innovantes.
Études théoriques des phénomènes orbitroniques et de spin-orbite dans les hétérostructures comprenant des matériaux de van der Waals, des métaux et des oxydes
Ce thèse de doctorat vise à trouver les meilleures combinaisons inexplorées de métaux de transition, d'oxydes et de matériaux 2D (dichalcogénures de métaux de transition, aimants 2D, graphène...) pour aider à optimiser et à fournir les bases scientifiques des dispositifs de stockage et de mémoire spintroniques à haut rendement énergétique, basés sur les domaines émergents de la spin-orbitronique et de l'orbitronique. Cette dernière est un nouveau domaine de recherche fascinant qui exploite les courants orbitaux et leur interaction avec les courants de spin médiés par le couplage spin-orbite.
En utilisant de calculs ab initio combinés à une approche liaison fort et à la théorie de la réponse linéaire, nous examinerons le potentiel des hétérostructures susmentionnées non seulement pour les phénomènes spin-orbite tels que l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), l'anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) et l'interconversion spin-charge basée sur les effets Rashba et Rashba-Edelstein (REE), mais nous nous concentrerons également sur l'effet orbital Rashba-Edelstein (OREE). En outre, les mécanismes de contrôle de ces phénomènes par des stimuli externes (déformation, champs électriques et magnétiques externes) seront également étudiés. Ces études permettront de trouver des combinaisons de matériaux optimales pour assurer l'efficacité de la DMI, de la PMA et de l'interconversion spin-charge afin d'optimiser les dispositifs spintroniques et de contribuer ainsi de manière significative au développement d'une microélectronique durable.
Le projet de these sera basé sur une approche multi-échelle incluant des approches ab initio, liaison forte et atomistiques. Un candidat très motivé avec une bonne expérience en physique du solide, en théorie de la matière condensée et en simulations numériques est donc requis. Il/elle effectuera ses calculs sur les nœuds du cluster de calcul Spintec en utilisant des codes ab initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) combinés à d'autres codes/outils de simulation. Les résultats obtenus seront analysés avec soin et pourront être publiés dans des revues scientifiques internationales. Une forte collaboration avec des laboratoires en France (CEA/LETI, Laboratoire Albert Fert (CNRS,Thales), Aix-Marseille Univ...) et à l'étranger (ICN2-Barcelone, PGI Forschungszentrum Jülich, Osaka University) est prévue.
Diffusion des rayons X assistée par Intelligence Artificielle : le problème de la représentativité des bases de données synthétiques et de l’indiscernabilité des prédictions.
L’avènement de l’intelligence artificielle rend envisageable l’accélération et la démocratisation du traitement de données de diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), une technique experte de caractérisation de nanomatériaux qui permet de déterminer la surface spécifique, la fraction volumique et les tailles caractéristiques de structures entre 0.5 à 200 nm.
Or, il y a une double problématique autour du SAXS assisté par Intelligence artificielle : 1) la rareté des données impose d’entraîner les modèles sur des données synthétiques, ce qui pose le problème de leur représentativité des données réelles, et 2) les lois de la physique stipulent qu’à une mesure de SAXS peuvent correspondre plusieurs nanostructures candidates, ce qui pose le problème de l’indiscernabilité des prédictions. Cette thèse vise donc à bâtir un modèle d’intelligence artificielle adapté au SAXS entraîné sur des données synthétiques validées expérimentalement, et sur la réponse experte qui pondère la catégorisation des prédictions par leur indiscernabilité.
Décrypter les rôles de la chimie de surface et de la structuration multi-échelle dans le contrôle des performances de stockage des supercondensateurs à base de graphène
L'objectif de ce projet de recherche fondamentale est d’élucider les corrélations existantes, entre les propriétés des matériaux à base de graphène et leurs performances de stockage électrochimique, en dispositif supercondensateur. L’importance de la chimie de surface et celle de la structure multi-échelle de ces matériaux seront spécifiquement étudiées, car la plupart des propriétés physico-chimiques de ces matériaux découlent de ces 2 paramètres. Aussi, des matériaux spécifiquement conçus pour présenter des chimies de surface différentes (dopage N, différents degrés de réduction…) et différentes structurations seront synthétisés et caractérisés, en utilisant des méthodes classiques à avancées (CV-SANS, in-situ SANS…), spécifiquement adaptées à l’étude de ces propriétés et de leur évolution en cours de cyclage électrochimique. Les résultats obtenus permettront de fournir une compréhension multi-échelle du mécanisme de stockage et aideront à concevoir des matériaux dotés de propriétés de stockage optimisées.
DE NOUVELLES VOIES POUR PRODUIRE DES NOYAUX LOURDS RICHES EN NEUTRONS
L'un des projets de recherche les plus importants de ces dernières années est né d'une question critique et non résolue concernant l'origine naturelle des noyaux plus lourds que le fer. Dans les noyaux lourds, riches en neutrons, la théorie predits l’existence d'un îlots de stabilité atour des nombres de protons Z = 114, 120 ou 126 et le nombre de neutrons N = 184.
Cependant, les efforts récents pour synthétiser des éléments superlourds et explorer les noyaux riches en neutrons N = 126 se sont heurtés à des difficultés considérables en raison des sections efficaces extrêmement faibles des réactions traditionnelles de fusion-évaporation. Ces facteurs soulignent le besoin urgent d'une solution alternative pour la synthèse des éléments super-lourds.Ces facteurs soulignent l'urgence de trouver d'autres mécanismes de réaction. L'une d'entre elles a été identifiée dans les réactions de transfert de multinucléons (MNT), qui offrent une voie prometteuse vers les noyaux lourds riches en neutrons. Nous travaillons sur ce mécanisme de réaction depuis plusieurs années, en réalisant des expériences à l'Argonne National Laboratory et dans d'autres laboratoires internationaux. L'objectif de cette thèse est d'analyser les données recueillies lors de l'expérience que ont a réaliser à Argonne (fin 2023) et de proposer une nouvelle expérience au spectromètre Prisma (Legnaro National Lab) couplé avec le détecteur Agata.
Formes, rotations et vibrations du noyau du 106Cd étudiées par spectroscopie gamma avec GRIFFIN et AGATA
Une des questions phares dans le domaine de la structure nucléaire concerne l'émergence de collectivité, et son lien avec la structure microscopique du noyau. Les noyaux atomiques peuvent manifester des comportements dits collectifs, où tous leurs constituants, les protons et les neutrons, se déplacent ensemble, à une fréquence donnée. Il s’agit surtout aux vibrations et rotations. Si un noyau n’est pas déformé, il ne peut être mis en rotation lorsqu’on l’excite ; en revanche, il présente des vibrations autour de sa forme d’équilibre sphérique.
Les isotopes pairs de cadmium ont longtemps été des cas d’école du comportement vibrationnel. Cette interprétation a cependant été remise en question suite aux études expérimentales récentes, qui ont, avec l'aide des calculs théoriques, conduit à la réorganisation des schémas de niveaux du 110,112Cd en termes d’excitations rotationnelles, suggérant la présence d’une variété de formes dans ces noyaux.
Grâce à un récent travail de thèse dans notre groupe, cette nouvelle interprétation a été étendue au noyau du 106Cd. Cependant, il reste plusieurs questions concernant la nature des niveaux observés a basse énergie d’excitation dans ce noyau. De plus, nous avons obtenu des indications que certains états excites peuvent être liés au couplage entre les vibrations du type dit octupolaire (c’est-à-dire le noyau se déforme adoptant une forme de poire) et quadripolaire (le noyau oscille entre les formes allongées et aplaties). Pour vérifier cette hypothèse, une expérience de décroissance bêta de précision a été proposée à TRIUMF (Vancouver, Canada) avec le spectromètre le plus avancé au monde dédié aux mesures de décroissance bêta, appelé GRIFFIN, pour chercher les voies de désintégration faibles dans le schéma de niveaux du 106Cd, et déterminer sans ambiguïté les spins des états excites grâce à l'analyse de corrélations angulaires gamma-gamma. Cette mesure permettra de résoudre les diverses énigmes concernant la structure de ce noyau, notamment la triaxialité de son état fondamental et la coexistence de formes multiples.
L’étudiant sera en charge de l’analyse de cette expérience, qui sera réalisée en 2025. Ensuite, en s’appuyant sur les résultats de cette analyse, elle/il procédera à une réévaluation de sections efficaces de peuplement de niveaux excités dans le 106Cd, qui ont été mesurées avec le spectromètre gamma de nouvelle génération AGATA au GANIL en utilisant la technique d’excitation coulombienne. Grâce à cette combinaison de mesures, nous espérons d’obtenir, pour la première fois dans la charte de noyaux, l’ensemble complet de probabilités de transition entre les états résultant du couplage entre les vibrations du type octupolaire et quadripolaire. Nous procéderons ensuite a l'interprétation des résultats obtenus en collaboration étroite avec des théoriciens.
Ce travail de thèse permettra à l’étudiant de suivre un projet dans son ensemble, de la préparation de l’expérience jusqu’à son interprétation théorique, et de se familiariser avec plusieurs techniques expérimentales de spectroscopie gamma, en utilisant les spectromètres gamma les plus avancés au monde.