Développement du détecteur Micromegas CyMBaL et étude de la saturation des gluons pour le futur Electron-Ion Collider
Le futur collisionneur Electron-Ion (EIC), qui sera construit au Brookhaven National Laboratory (NY, USA), est une installation de nouvelle génération conçue pour explorer la structure interne des protons et des noyaux avec une précision sans précédent. Il explorera comment les quarks et les gluons génèrent la masse, le spin et la structure de la matière visible, et étudiera l’augmentation de la densité de gluons à faible Bjorken-x. Pour atteindre ces ambitieux objectifs scientifiques, des détecteurs innovants sont en cours de développement, notamment le système Micromegas CyMBaL, un traceur gazeux destiné à la région centrale du premier appareil expérimental EIC, ePIC.
Ce projet de thèse combine une R&D expérimentale sur les détecteurs gazeux et des simulations physiques en couvrant les points suivants :
* Caractérisation des prototypes : construction et tests des détecteurs Micromegas à grande échelle ; mesure de l’efficacité, l’uniformité du gain et la résolution spatiale en laboratoire et en faisceau. Tests et validation des prototypes avec le nouvel ASIC SALSA, développé au CEA pour les détecteurs gazeux de l’expérience ePIC.
* Simulations du détecteur : intégrer la géométrie CyMBaL dans le framework de l’EIC et évaluer l’efficacité globale de trajectographie afin de s'assurer que les exigences de performances du détecteur sont respectées.
* Simulations de physiques : simuler des processus clés sensibles à la saturation des gluons (par ex. corrélations di-hadrons dans l’état final) afin de mieux comprendre la QCD à faible-x et d’évaluer l’impact des performances du détecteur sur la sensibilité de ces observables.
Le doctorant aura l’opportunité de participer au développement de détecteurs gazeux de pointe et de travailler au sein d’une communauté internationale de physiciens hadroniques sur des sujets à la frontière du domaine, avec des déplacements au Brookhaven National Laboratory (NY, USA) et des campagnes de tests en faisceau auprès d'accélérateurs.
RECHERCHE DE LA DÉSINTÉGRATION NUCLÉAIRE EN DEUX PHOTONS
La désintégration nucléaire à deux photons, ou double-gamma, est un mode de désintégration très rare dans les noyaux atomiques, par lequel un noyau dans un état excité émet deux rayons gamma simultanément. Ce processus électromagnétique de deuxième ordre, bien connu en physique atomique, n'a été que peu étudié pour le noyau atomique en raison des effets de premier ordre largement prédominants. Les noyaux pairs avec un premier état excité 0+ sont des cas favorables à la recherche d'une branche de désintégration double-gamma, puisque l'émission d'un seul rayon gamma est strictement interdite pour les transitions 0+ to 0+ en raison de la conservation du moment angulaire. La désintégration double-gamma reste encore une branche de désintégration très petite (<1E-4) en compétition avec les modes de désintégration dominants (de premier ordre) des électrons de conversion interne atomique (ICE) ou de la création de paires internes positron-électron (e+-e-) (IPC).
Le projet de thèse comporte deux parties expérimentales distinctes: Premièrement, nous stockons des ions nus (entièrement épluchés) dans leur état excité 0+ dans l'anneau de stockage d'ions lourds (ESR) au GSI pour rechercher la désintégration double-gamma dans plusieurs nucléides. Pour les atomes neutres, l'état excité 0+ est un état isomérique à durée de vie plutôt courte, de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de nanosecondes. Cependant, aux énergies relativistes disponibles au GSI, tous les ions sont entièrement épluchés de leurs électrons atomiques et la désintégration par émission ICE n'est donc pas possible. Si l'état d'intérêt est situé en dessous du seuil de création de paires, le processus IPC n'est pas non plus possible. Par conséquent, les noyaux nus sont piégés dans un état isomérique à longue durée de vie, qui ne peut se désintégrer que par émission double-gamma vers l'état fondamental. La désintégration des isomères est identifiée par la spectroscopie de masse Schottky résolue dans le temps. Cette méthode permet de distinguer l'isomère et l'état fondamental par leur temps de révolution (très légèrement) différent dans l'ESR, et d'observer la disparition du pic de l'isomère dans le spectre de masse avec un temps de décroissance caractéristique. Des expériences établissant la désintégration double-gamma dans plusieurs nucléides (72Ge, 98Mo, 98Zr) ont déjà été réalisées avec succès et une nouvelle expérience sur le nucleide 194Pb a été acceptée par le comité de programme du GSI et sa réalisation est planifie en 2027.
La deuxième partie concerne l'observation directe des photons émis à l'aide de la spectroscopie des rayons gamma. Alors que les expériences sur les anneaux de stockage permettent de mesurer la durée de vie partielle de la double désintégration gamma, des informations supplémentaires sur les propriétés nucléaires ne peuvent être obtenues qu'en mesurant les photons eux-mêmes. Une expérience test a été réalisée pour étudier sa faisabilité et les plans d'une étude plus détaillée devraient être élaborés dans le cadre du projet de doctorat.
Apport de l'intelligence artificielle à l'étude de la fission
La fission nucléaire est un processus extrême au cours duquel un noyau lourd se déforme jusqu'à atteindre un point de non retour conduisant à sa séparation en deux fragments. Le processus s'accompagne d'un relâchement important d'énergie, principalement sous forme d'énergie cinétique des fragments nouvellement formés, mais aussi d'énergie d'excitation (typiquement une quinzaine de MeV par fragment). Par ailleurs, les fragments sont aussi produits avec un moment angulaire élevé. C'est par le biais de l'émission de neutrons et de photons que les fragments de fission évacuent leur énergie d'excitation et moment angulaire. L'expérience ultime en fission consisterait à identifier en masse et charge chaque fragment; mesurer leur énergie cinétique; et caractériser en énergie et multiplicité les neutrons et photons qu'ils émettent. Ce jeu de données permettrait en effet d'accéder à l'énergétique globale du processus de fission et à caractériser complètement la désexcitation des fragments. De part la complexité importante d'une telle mesure exclusive, ce jeu de données est toujours manquant.
Notre équipe s'oriente vers de telles mesures et ce travail de thèse vise à explorer les bénéfices que peuvent apporter les techniques de machine learning dans cette optique.
La thèse consistera à tirer partie de l'ensemble des données multi-corrélées accessibles expérimentalement afin d'alimenter des algorithmes de machine learning dont le but sera d'identifier les fragments de fission et de déterminer leurs propriétés.
Les techniques développées seront appliquées à un premier jeu de données utilisant une double chambre d'ionisation pour la détection des fragments de fission couplée à un ensemble de détecteur neutrons. Les données seront acquises en début de doctorat.
Dans un second temps, une étude plus exploratoire consistera à appliquer les mêmes techniques à des données obtenues durant le doctorat en utilisant une chambre à projection temporelle comme détecteur de fragments de fission. Il s'agira de démontrer que la résolution en énergie cinétique obtenue est compatibles avec l'étude de la fission.
Etude de la dynamique structurale des photorécepteurs dépendants de la vitamine B12 dans la perspective d'applications biotechnologiques
Ce projet de biologie structurale intégrée vise à acquérir une compréhension mécanistique de la famille récemment découverte des photorécepteurs dépendants de la vitamine B12. Nous cherchons en particulier à visualiser les changements conformationnels des protéines lors de la photoactivation, depuis l'échelle photochimique (femtosecondes) jusqu'à l'échelle photobiologique (millisecondes-secondes). Pour ce faire, nous utiliserons la cristallographie et diffusion des rayons-X résolues en temps aux lasers à électrons libres (XFEL) et aux synchrotrons. En établissant le mode de fonctionnement de ces photorécepteurs B12 récemment découverts, nous ouvrirons la voie à leur modification rationnelle en vue d'une exploitation biotechnologique en tant que composants optogénétiques.
Exoplanetes : l'apport des courbes de phase observées avec le JWST
Le télescope spatial James Webb (JWST), lancé par la NASA le 25 décembre 2021, révolutionne notre compréhension du cosmos, en particulier dans le domaine des exoplanètes. Avec plus de 6 000 exoplanètes détectées, on découvre des mondes très variés, dont certains sans équivalent dans notre Système solaire, comme les « hot Jupiters » ou les « super-Terres ». JWST permet désormais la caractérisation détaillée des atmosphères exoplanétaires grâce à ses instruments spectroscopiques couvrant de 0,6 à 27 µm et sa grande surface collectrice de lumière (25 m²). Cette capacité permet de déterminer la composition moléculaire, la présence de nuages ou d’aérosols, le profil pression–température et les processus physiques et chimiques à l'œuvre dans ces atmosphères.
La méthode principale utilisée est celle dite des transits, observant les variations de luminosité lors du passage de la planète devant son étoile ou derrière elle (éclipse secondaire). Néanmoins, l’observation sur toute la période orbitale (phase curve)—qui contient aussi un transit et deux éclipses—fournit encore plus d’informations. Avec les courbes de phase, le budget énergétique, la structure longitudinale, et la circulation atmosphérique peuvent être directement observés. JWST a déjà obtenu des données en courbes de phase d’une qualité exceptionnelle. Beaucoup de ces ensembles de données sont désormais accessibles au public et contiennent une mine d’informations, mais ils ne sont que partiellement exploités. La durée de ces observations, la finesse des signaux très faibles (quelques dizaines de ppm), et la présence d’effets instrumentaux plus subtiles rendent l’exploitation de ces données plus complexe.
La thèse proposée se concentrera d’abord sur l’étude et la correction de ces effets instrumentaux, puis sur l’extraction des propriétés atmosphériques avec le logiciel TauREx (https://taurex.space/), sous la co-supervision de Quentin Changeat (Université de Groningen) et Pierre-Olivier Langage (CEA Paris-Saclay). Cette thèse participera à la préparation de l’exploitation scientifique de la mission ESA Ariel (lancement prévu en 2031), entièrement dédiée à l’étude des atmosphères exoplanétaires et qui pourrait observer près de 50 courbes de phase.
Etude des noyaux lourds : de la mesure de masse à la spectroscopie des américium et mise en service du double piège de Penning PIPERADE
Le noyau atomique est un objet complexe dont l’étude reste particulièrement active plus d’un siècle après la découverte de son existence. Parmi les nombreuses questions encore ouvertes, celle des limites d’existence du noyau demeure centrale : quels sont les nombres de protons et de neutrons permettant la formation d’un noyau lié ? Cette question peut être abordée à l’aide de mesures de masses permettant d’accéder à l’énergie de liaison du noyau, une de ses propriétés les plus fondamentales. L’objectif de cette thèse est, d’une part, de réaliser une mesure de masse de haute précision des isotopes 234-238Am (Z = 95) à l’Université de Jyväsklyä, en Finlande (expérience prévue en 2026), et d’autre part de participer à l’installation et à la mise en service du double piège de Penning PIPERADE (PIèges de PEnning pour les RAdionucléides à DESIR) au GANIL à Caen. Les noyaux d’américium qui seront étudiés lors de cette thèse sont à la frontière entre deux régions présentant un intérêt particulier : la région de déformation octupolaire (noyaux en forme de poire) et la région des isomères de fission (états méta-stables du noyaux se désintégrant par fission), et la mesure de leur masse permettra de mieux comprendre les propriétés de ces noyaux exotiques. PIPERADE, quant à lui, est un dispositif permettant de réaliser des mesures de masses de haute précision. Aujourd’hui en phase de caractérisation à Bordeaux, son installation à GANIL (prévue en 2027) permettra d’étudier une large gamme de noyaux exotiques via la mesure de leur masse, mais aussi en utilisant des techniques de séparation permettant de purifier les faisceaux radioactifs avant de les envoyer à d’autres dispositifs expérimentaux.
PtSeipin: un pont entre biogenèse et dégradation des gouttelettes lipidiques chez la diatomée Phaeodactylum tricornutum
Les microalgues regroupent une grande diversité d’organismes et suscitent un intérêt croissant en raison de leur capacité à produire des biomolécules d’intérêt industriel et biotechnologique. En particulier, elles peuvent accumuler de l’huile sous forme de gouttelettes lipidiques (LD, lipid droplets) en réponse à des stress abiotiques tels que la carence en azote. Cette accumulation d’huile représente un fort potentiel pour la production de biocarburants.
Nous avons récemment montré que l’inactivation du gène codant la Seipine, une protéine impliquée dans la biogenèse des LD, entraîne une forte accumulation d’huile chez la diatomée Phaeodactylum tricornutum. De plus, cette accumulation semble liée à une absence de dégradation des LD dans les mutants dépourvus de Seipine. Ces résultats suggèrent que, chez cette diatomée, les LD sont programmées pour être dégradées dès leur formation et que l’inhibition de la dégradation pourrait être une stratégie intéressante pour augmenter la production d’huile. Le présent projet vise à élucider les mécanismes de dégradation des LD et, plus particulièrement, les liens entre leur biogenèse et leur dégradation, ce qui permettra d'identifierde nouvelles cibles d'intérêt. Trois axes principaux seront développés :
1. Identifier les partenaires de PtSeipine impliqués dans la dégradation des LD, en combinant une approche ciblée (protéines candidates) et une approche globale (sans a priori).
2. Déterminer les mécanismes de dégradation des LD altérés dans les mutants PtSeipin KO, en combinant des observations en microscopie électronique avec des analyses transcriptomiques et protéomiques.
3. Comprendre l’utilisation que les microalgues font de l’huile lors de la phase de sortie de stress, à l’aide d’approches de fluxomique.
Magnéto-convection des étoiles de type solaire: émergence du flux et origine des taches stellaires
Le Soleil et les étoiles de type solaire possèdent un magnétisme riche et variable. Nous avons pu mettre en évidence dans nos travaux récents sur les dynamos turbulentes convectives de ce type d' étoiles, une histoire magnéto-rotationelle de leur évolution séculaire. Les étoiles naissent active avec des cycles magnétiques courts, puis en décélérant par le freinage du à leur vent de particules magnétisé, leur cycle magnétique s'allonge pour devenir commensurable à celui du Soleil (d'une durée de 11 ans) et enfin pour les étoiles vivant suffisamment longtemps finir avec une perte de cycle et une rotation dite anti-solaire (équateur lent/poles rapides). L'accord avec les observations est excellent mais il nous manque un élément essentiel pour conclure: Quel role jouent les taches solaires/stellaires dans l'organisation du magnétisme de ces étoiles et sont-elles nécessaires à l'apparition d'un cycle magnétique, ce qui s'appelle "le paradox des dynamos cycliques sans tache". En effet, nos simulations HPC de dynamo solaire n'ont pas la résolution angulaire pour résoudre les taches et pourtant nous observons bien des cycles dans nos simulation de dynamos stellaires pour des nombres de Rossby < 1. Dès lors les taches sont-elle une simple manifestations de surface d'une auto-organisation interne du magnétisme cyclique de ces étoiles, ou jouent-elle un rôle déterminant. De plus, comment l'émergence de flux en latitude et la taille et intensité des taches se formant à la surface évoluent ils au cours de l'évolution magnéto-rotationelle de ces étoiles? Pour répondre à cette question essentielle en magnétisme des étoiles et du Soleil, il faut développer de nouvelles simulations HPC de dynamo stellaire en soutien aux missions spatiales Solar Orbiter et PLATO pour lesquelles nous sommes directement impliqués, permettant de s'approcher plus près de la surface et ainsi de mieux décrire le processus d'émergence de flux magnétique et la possible formation de taches solaires. Des tests récents montrant que des concentrations magnétiques inhibant la convection de surface localement se forment ab-initio dans des simulations avec un nombre de Reynolds magnétique plus grand et une convection de surface plus petites échelles nous encourage fortement à poursuivre ce projet au delà de l'ERC Whole Sun (finissant en Avril 2026). Grace au code Dyablo-Whole Sun que nous co-développons avec le IRFU/Dedip, nous désirons étudier en détails la dynamo convective, l'émergence de flux magnétique et la formation auto-cohérente de taches résolues, en utilisant sa capacité de raffinement de maillage adaptative et en variant les paramètres globaux stellaire comme le taux de rotation, l'épaisseur de la zone convective, et l'intensité de la convection de surface, afin de déterminer comment leur nombre, morphologie et latitude d'émergence changent et s'ils contribuent ou non à la fermeture de la boucle dynamo cyclique.
Développement d'une plateforme enzymatique modulaire pour la conception et la synthèse in silico de peptides thérapeutiques novateurs via le splicing de protéines
La montée de la résistance aux antimicrobiens (RAM) est devenue une épidémie lente, alimentée par la surutilisation des antibiotiques, conjuguée à un ralentissement dans la découverte de nouveaux agents antimicrobiens au cours des quatre dernières décennies. Pour faire face à cette crise urgente, il est nécessaire d’adopter une utilisation plus judicieuse des antibiotiques existants, tout en découvrant des médicaments innovants capables de surmonter la résistance des agents pathogènes. Dans ce contexte, l’immense volume de données génomiques générées dans l’ère des omiques a revitalisé l’intérêt pour les produits naturels, qui constituent une source précieuse de composés innovants. Parmi eux, les peptides naturels—aux propriétés chimiques uniques et diversifiées—sont particulièrement attractifs en tant que potentiels antibiotiques, agents anticancer ou inhibiteurs ciblant des processus pathologiques spécifiques.
L’objectif de cette thèse est de développer une plateforme enzymatique innovante, modulaire, permettant la conception et la synthèse in silico de peptides dotés d’une diversité chimique sans précédent. Au cœur de cette approche se trouve l’exploitation d'une réaction chimique unique : le splicing de protéines. Ce processus innovant permet une élimination ou une modification précise de séquences peptidiques spécifiques, offrant une base puissante pour générer des peptides hybrides avec des fonctionnalités sur mesure, y compris des agents thérapeutiques potentiels.
Ce projet intégrera des études structurales et fonctionnelles, la conception de peptides assistée par ordinateur, ainsi que l’ingénierie enzymatique, dans le but d’élargir la diversité chimique et fonctionnelle des molécules peptidiques. Le candidat retenu évoluera dans un environnement de recherche à la pointe de la technologie, doté d’installations de pointe et favorisant les opportunités de collaboration—encourageant ainsi des approches innovantes et des contributions significatives dans le domaine.
ETUDE DES PROPRIETES COLLECTIVES NUCLEAIRES DU 232Th AVEC LE SPECTROMETRE AGATA
L'étude des noyaux atomiques dits « déformés » avec une distribution de charge non sphérique est essentielle pour tester les interactions nucléaires et les modèles de structure. Ces noyaux déformés présentent un schéma très particulier d'états excités, connus sous le nom de « bandes rotationnelles ». Ces bandes peuvent être construites sur des états avec une déformation différente ou une structure intrinsèque différente (coexistence de formes). Le sujet de la thèse porte sur l'étude expérimentale des propriétés macroscopiques et microscopiques du noyau du 232Th. Ce noyau présente une grande variété de bandes rotationnelles qui seraient dues aux vibrations de la surface nucléaire dit quadripolaire (oscillations entre les formes allongées et aplaties) et octupolaire (oscillations entre la forme sphérique et la forme de poire). Ces derniers ont notamment suscité beaucoup d'intérêt récemment, car les noyaux déformés octupolaires peuvent être utilisés pour déterminer le moment dipolaire électrique des noyaux, une question fondamentale en physique en général. Dans notre cas particulier il s'agit de caractériser pour la premier fois sur tous les noyaux le quadruplet des bandes octupolaires attendue dans un noyau fortement déformé. Par ailleurs, ce noyau est aussi le seul example qui montre une bande rotationnel bâti sur une double-vibration quadripolaire.
Nous étudierons ces formes variées en utilisant la puissante technique d'excitation coulombienne, qui est la méthode la plus directe pour déterminer la forme des noyaux dans leurs états excités. L'expérience sera réalisée à l'aide d'AGATA, un spectromètre gamma de nouvelle génération, constitué d'un grand nombre de cristaux de germanium finement segmentés, qui permet d'identifier chaque point d'interaction d'un rayon gamma a l’intérieur du détecteur puis, à l'aide du concept innovant du «gamma-ray tracking », permet de reconstruire les énergies de tous les rayons gamma émis et leurs angles d'émission avec une précision sans précédent. Une experience complémentaire sera réalisé au laboratoire d'ions lourds (HIL) Varsovie ce qui permettra de mieux interpréter les données très complexe fourni par AGATA.