La technologie olfactive (Qi – Wei) : une inspiration chinoise pour l’écotechnologie

La spécificité de la pensée chinoise de la technologie fait l'objet de débats philosophiques récurrents depuis le début du XXe siècle. Cette discussion souligne l'originalité du rapport sensoriel à la nature s'exprimant dans l'écriture et la culture chinoise. "La technologie olfactive (Qi – Wei) : une inspiration chinoise pour l’écotechnologie" explore l'hypothèse qu'une philosophie des techniques, d'inspiration chinoise mais ouverte aux autres cultures, peut renouveler la réflexion sur la technologie dans son rapport à l'environnement à partir du paradigme de l’olfaction (Wei).
Cette approche s'appuie sur une analyse de la pensée chinoise traditionnelle développée par des philosophes chinois contemporains, en particulier Gong Huanan, et montre son influence sur la pensée technologique chinoise actuelle. Cette recherche s'appuie aussi sur les travaux de spécialistes de l’olfaction, ainsi que sur des philosophes occidentaux de la technique, de la science et de l’imaginaire (tels que Gilbert Simondon, Gaston Bachelard et Dominique Lestel).
L'enjeu scientifique premier consiste à restituer le paradigme olfactif de la pensée technologique chinoise pour examiner son rapport à l'environnement, afin de développer dans un second temps une réflexion écotechnologique transculturelle. A la lumière de ces analyses, il conviendra ensuite de reconsidérer les imaginaires des technologies robotiques et numériques afin d'explorer de nouvelles pistes d'innovations. Enfin, dans une perspective de prototypage science-fiction ("science fiction prototyping"), des fictions spéculatives prolongeront l'analyse en examinant l'impact des technologies imaginables à partir du paradigme olfactif.

Vers un detecteur pixel à haute resolution spatiale pour l’identification de particules: contribution de nouveaux détecteurs à la physique

Les expériences de physique des particules sur les futurs collisionneurs linéaires à e-e+ nécessitent des progrès dans la résolution spatiale des détecteurs de vertex (jusqu’au micron), ceci afin de déterminer précisément les vertex primaires et secondaires pour des particules de grande impulsion transverse. Ce type de détecteur est placé près du point d’interaction. Ceci permettra de faire des mesures de précision en particulier pour des particules chargées de faible durée de vie. Nous devons par conséquent développer des matrices comprenant des pixels de dimension inférieure au micron-carré. Les technologies adéquates (DOTPIX, Pixel à Puit/Point quantique) devraient permettre une avance significative en reconstruction de trace et de vertex. Bien que le principe de ces nouveaux dispositifs ait été étudié à l’IRFU (voir référence), ce travail de doctorat devrait se focaliser sur l’étude de dispositifs réels qui devraient alors être fabriqués garce aux nanotechnologies en collaboration avec d’autres Instituts. Cela requiert l’utilisation de codes de simulation et la fabrication de structures de test. Les applications en dehors de la physique se trouvent pour l’essentiel dans l’imagerie X et éventuellement les cameras holographiques dans le visible.

Caliste-3D CZT: développement d’un spectro-imageur gamma miniature, monolithique et hybride à efficacité améliorée dans la gamme 100 keV à 1 MeV et optimisé pour la détection de l’effet Compton et la localisation sous-pixel

L’observation multi-longueur d’onde des sources astrophysiques est la clé d’une compréhension globale des processus physiques en jeu. En raison de contraintes instrumentales, la bande spectrale de 0,1 à 1 MeV est celle qui souffre le plus d’une sensibilité insuffisante de détection dans les observatoires existants. Ce domaine permet d’observer les noyaux actifs de galaxies les plus enfouis et les plus lointains pour mieux comprendre la formation et l’évolution des galaxies à des échelles cosmologiques. Il relève des processus de nucléosynthèse des éléments lourds de notre Univers et l’origine des rayons cosmiques omniprésents dans l’Univers. La difficulté intrinsèque de la détection dans ce domaine spectral réside dans l’absorption de ces photons très énergétiques après des interactions multiples dans le matériau. Cela requiert une bonne efficacité de détection mais également une bonne localisation de toutes les interactions pour en déduire la direction et l’énergie du photon incident. Ces enjeux de détection sont identiques pour d’autres applications à fort impact sociétal et environnemental : le démantèlement et l’assainissement des installations nucléaires, le suivi de la qualité de l’air, la dosimétrie en radiothérapie.
Cette thèse d’instrumentation a pour objectif de développer un détecteur « 3D » polyvalent, exploitable dans les domaines de l’astrophysique et de la physique nucléaire, avec une meilleure efficacité de détection dans la gamme 100 keV à 1 MeV et des évènements Compton, ainsi que la possibilité de localiser les interactions dans le détecteur à mieux que la taille d’un pixel.
Plusieurs groupes dans le monde, dont le nôtre, ont développé des spectro-imageurs X dur à base de semi-conducteurs haute densité pixélisés pour l’astrophysique (CZT pour NuSTAR, CdTe pour Solar Orbiter et Hitomi), pour le synchrotron (Hexitec UK, RAL) ou pour des applications industrielles (Timepix, ADVACAM). Leur gamme d’énergie reste toutefois limitée à environ 200 keV (sauf pour Timepix) en raison de la faible épaisseur des cristaux et de leurs limitations intrinsèques d’exploitation. Pour repousser la gamme en énergie au-delà du MeV, il faut des cristaux plus épais associés à des bonnes propriétés de transport des porteurs de charge. Cela est actuellement possible avec du CZT, mais nécessite néanmoins de relever plusieurs défis.
Le premier défi était la capacité des industriels à fabriquer des cristaux de CZT homogènes épais. Les avancées dans ce domaine depuis plus de 20 ans nous permettent aujourd’hui d’envisager des détecteurs jusqu’à au moins 10 mm d’épaisseur (Redlen, Kromek).
Le principal défi technique restant est l’estimation précise de la charge générée par interaction d’un photon dans le semi-conducteur. Dans un détecteur pixélisé où seules les coordonnées X et Y de l’interaction sont enregistrées, augmenter l’épaisseur du cristal dégrade les performances spectrales. Obtenir l’information de profondeur d’interaction Z dans un cristal monolithique permet théoriquement de lever le verrou associé. Cela nécessite le déploiement de méthodes expérimentales, de simulations physiques, de conception de circuits de microélectronique de lecture et de méthodes d’analyse de données originales. De plus, la capacité à localiser les interactions dans le détecteur à mieux que la taille d’un pixel contribue à résoudre ce défi.

Optimisation de l'expérience Gbar pour la production d’ions positifs d’antihydrogène

L'expérience Gbar (Gravitationnal Behavior of Antihydrogen at Rest) située au CERN près de Genève a pour but de produire un grand nombre d'atomes d'antihydrogène, pour en mesurer l'accélération dans le champ de pesanteur.
Le principe repose sur la production d'ions posifs d'antihydrogène via deux réactions successives d'échange de charge qui ont lieu quand un faisceau d'antiprotons traverse un nuage de positronium. En 2022 Gbar a démontré son principe de fonctionnement en produisant ses premiers atomes d'antihydrogène via la première réaction d’échange de charge. Il s'agit maintenant d'optimiser et d'améliorer les différents éléments de l'expérience pour aboutir à la production d'anti-H+, notamment la ligne positons qui mène à la création du nuage de positronium. Le défi est d'augmenter la quantité de positons piégés dans le deuxième piège électromagnétique de cette ligne puis de les transporter efficacement vers la cible de conversion en positronium.
Le travail de thèse consistera à faire fonctionner, diagnostiquer, optimiser les deux pièges électromagnétiques de la ligne positons ainsi que le dispositif d'accélération et de focalisation des positrons sur la cible nanoporeuse pour obtenir un nombre suffisant de positroniums et aboutir à la production des ions antihydrogène. L'étudiant participera également à la campagne de mesures de l'étude de la contrepartie matière de la seconde réaction d'échange de charge réalisée à partir d'un faisceau d'ion H- au lieu du faisceau d'antiprotons.

Etude de l'inflation avec des quasars et de galaxies dans DESI

Les mesures des propriétés statistiques de la structure de l’univers à grande échelle (LSS) fournissent des informations sur la physique qui a généré les fluctuations primordiales de densité. En particulier, elles permettent de distinguer différents modèles d’inflation cosmique en mesurant la non-gaussianité primordiale (PNG), l’écart par rapport aux conditions initiales du champ aléatoire gaussien.

Notre stratégie pour étudier les LLS, consiste à utiliser un relevé spectroscopique, DESI, dont l’instrument a été mis en service à la fin de l'année 2019. DESI observera 40 millions de galaxies et de quasars. Les observations ont lieu au télescope Mayall de 4 m en Arizona. Depuis le printemps 2021, le projet a débuté une période d’observation sans interruption qui durera 5 ans, ce qui permettra de couvrir un quart de la voute céleste.

Pour ce projet de thèse, les LSS sont mesurées avec deux traceurs de la matière : les galaxies très lumineuses rouges (LRG) et les quasars, objets très lointains et très lumineux. Ces deux traceurs nous permettent de couvrir une large plage en redshift allant de 0.4 à 4.0.

Au cours de sa première année de thèse, l’étudiant participera à la fin de l’analyse de la première année d’observation. Il étudiera en particulier, la structuration à grandes échelles avec des quasars et des galaxies (LRG). Son travail consistera aussi à évaluer toutes les sources possibles de biais dans la sélection des quasars et des LRG qui pourraient contaminer un signal cosmologique. Dans un deuxième temps, l’étudiant développera une analyse plus sophistiquée qui mettra en œuvre les statistiques à trois points comme le bispectre et qui sera étendue à un échantillon plus important représentant les trois premières années d’observation de DESI.

Recherche de production de boson de Higgs associée à un quark top unique et études des propriétés CP du couplage top-Higgs dans le canal diphoton avec l'expérience CMS au LHC.

Il y a 10 ans, les collaborations ATLAS et CMS au LHC au CERN découvraient le boson de Higgs, avec 10 fb-1 de collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de 7 à 8 TeV [1,2]. Depuis, les propriétés de cette particule ont été testées par les deux expériences et sont compatibles, dans les incertitudes, avec les propriétés prédites par le Modèle Standard de la physique des particules. Le Modèle Standard (MS) présente néanmoins un certain nombre de limitations, comme l’absence d’explication pour la matière noire par exemple, nous poussant à le considérer comme un modèle effectif à basse énergie, et à chercher à mettre en évidence ses limites. En l’absence de preuve directe de « Nouvelle Physique », accroître la précision des mesures des propriétés du boson de Higgs (son spin, sa parité, et ses couplages aux autres particules) reste un des chemins les plus prometteur.
La mesure de la production associée à une paire de quark top-antitop (ttH) donne un accès direct au couplage de Yukawa du quark top, paramètre fondamental du MS. La production ttH est un processus rare, deux ordres de grandeur plus rare que la production dominante au LHC par fusion de gluons. Ce mode de production a été observé pour la première fois en 2018 [3, 4], séparément par les expériences ATLAS et CMS, et en combinant statistiquement les résultats de recherches dans plusieurs canaux de désintégration. Plus récemment, avec le dataset complet du Run 2 (données prises entre 2016 et 2018 avec un total de 138 fb-1 à 13 TeV), ce mode de production a été observé aussi en utilisant seulement le canal de désintégration en deux photons, et une première mesure de ces propriétés CP a été publiée par les deux expériences avec une exclusion de l’hypothèse couplage CP-impair pur à 3s [5, 6]. La production associé à un quark top unique est de l’ordre de 5 fois plus faible et n’a encore jamais été observée expérimentalement. Grâce aux recherches dans les canaux en deux photons et en leptons multiples, des contraintes très lâches ont été cependant esquissées pour la première fois récemment (see Ref. [7]). Ce mode de production est très sensible aux propriétés CP du couplage H-tt, puisqu’en cas de couplage impair, sa production est augmentée de manière importante. Nous proposons dans cette thèse d’étudier conjointement les deux modes de production (ttH et tH), ainsi que les propriétés CP du couplage H-tt avec les données du Run 3 (données enregistrées en ce moment et jusqu’à 2026, avec potentiellement 250 fb-1 à 13.6 TeV à la fin du Run) dans le canal diphoton. Bien que de premières mesures de la violation de CP dans le secteur du Higgs existent, exclure de petites contributions CP-impaires demandera plus de données et la poursuite de ces études avec le Run 3 pourrait mettre en évidence des déviations du SM. Nous nous proposons dans cette analyse de données d’apporter de nombreuses améliorations à la stratégie générale de l’analyse et d’utiliser de nouvelles méthodes d’apprentissage profond pour la reconstruction des photons et la modélisation des bruits de fond , méthodes développées avec les thèses en cours actuellement dans le groupe mais pas encore utilisées dans les résultats de physique de CMS. Ces améliorations permettront de tirer le meilleur parti de l’échantillon de données dont nous disposerons.
[1] ATLAS Collaboration, “Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC,” Phys. Lett. B 716 (2012) 1.
[2] CMS Collaboration, “Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC,” Phys. Lett. B 716 (2012) 30.
[3] ATLAS Collaboration, “Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector”, Phys. Lett. B 784 (2018) 173.
[4] CMS Collaboration, “Observation of ttH Production”, Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 231801.
[5] CMS Collaboration, “Measurements of ttH Production and the CP Structure of the Yukawa Inter- action between the Higgs Boson and Top Quark in the Diphoton Decay Channel”, Phys. Rev. Lett. 125, 061801.
[6] ATLAS Collaboration, “CP Properties of Higgs Boson Interactions with Top Quarks in the ttH and tH Processes Using H ? ?? with the ATLAS Detector” , Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 061802.
[7] CMS Collaboration, “A portrait of the Higgs boson by the CMS experiment ten years after the discovery”, Nature 607 (2022) 60.

Détecter les premiers amas de galaxies de l'Univers dans les cartes du fond diffus cosmologique

Les amas de galaxies, situés aux nœuds de la toile cosmique, sont les plus grandes structures de l’Univers liées par la gravitation. Leur nombre et leur distribution spatiale sont très sensibles aux paramètres cosmologiques, comme la densité de matière dans l’Univers. Les amas constituent ainsi une sonde cosmologique performante. Elle a fait ses preuves ces dernières années (sondages Planck, South Pole Telescope, XXL, etc.) et promet de grandes avancées les prochaines années (sondages Euclid, Observatoire Vera Rubin, Simons Observatory, CMB-S4, etc.).
Le pouvoir cosmologique des amas de galaxies s’accroît avec la taille de l’intervalle de décalage vers le rouge (redshift) couvert par le catalogue. Le figure jointe montre les domaines de redshift couverts par les catalogues d’amas extraits des expériences d’observation du fond diffus cosmologique (première lumière émise dans l’Univers 380000 ans après le Big Bang). Ainsi, Planck a détecté les amas les plus massifs de l’Univers dans 0<z<1 alors que SPT et ACT, plus sensibles mais couvrant moins de ciel, ont déjà détecté des dizaines d’amas entre z=1 et z=1.5 et quelques amas entre z=1.5 et z=2. La prochaine génération d’instruments (Simons Observatory à partir de 2024 et CMB-S4 à partir de 2032) permettra de détecter de façon routinière les amas dans 1<z<2 et observera les premiers amas formés dans l’Univers dans 2<z<3.
Seules les expériences étudiant le fond diffus cosmologique pourront observer le gaz chaud dans ces premiers amas à 2<z<3, grâce à l’effet SZ, du nom de ses deux découvreurs Sunyaev et Zel’dovich. Cet effet, dû aux électrons de grande énergie du gaz des amas, provoque une petite perturbation du spectre en fréquence du fond diffus cosmologique, ce qui le rend détectable. Mais le gaz n’est pas la seule composante émettrice dans les amas : des galaxies à l’intérieur des amas émettent aussi en radio ou en infrarouge ce qui contamine le signal SZ. Cette contamination est faible à z<1 mais augmente drastiquement avec le redshift. On s’attend à ce que ces émissions radio et infrarouge soient du même ordre de grandeur que le signal SZ dans l’intervalle 2<z<3.
Il faut donc essayer de comprendre et modéliser l’émission du gaz des amas en fonction du redshift, mais aussi celle des galaxies radio et infrarouge qu’ils contiennent pour pouvoir préparer la détection des premiers amas de galaxies de l’Univers.
L’Irfu/DPhP a développé les premiers outils de détection d’amas de galaxies dans les données du fond diffus cosmologique dans les années 2000. Ces outils ont été utilisés avec succès sur les données Planck et sur les données sol, comme celles de l’expérience SPT. Ils sont efficaces pour détecter les amas de galaxies dont l’émission est dominée par le gaz mais leur performance est inconnue dans le cas où l‘émission par les galaxies radios et infrarouges est importante.
Le travail de thèse consistera dans un premier temps à étudier et modéliser les émissions radio et infrarouge des galaxies des amas détectés dans les données du fond diffus cosmologique (Planck, SPT et ACT) en fonction du redshift.
Dans un second temps, on quantifiera l’impact de de ces émissions sur les outils de détection d’amas existants, dans le domaine de redshift actuellement sondé (0<z<2) puis dans le domaine de redshift futur (2<z<3).
Enfin, à partir de notre connaissance acquise sur ces émissions radio et infrarouge des galaxies dans les amas, on développera un nouvel outil d’extraction d’amas destiné aux amas à grand redshift (2<z<3) pour maximiser l’efficacité de détection et la maîtrise des effets de sélection, i.e. le nombre d’amas détecté par rapport à au nombre total sous-jacent.

Tester le modèle standard dans le secteur du quark top et du boson de Higgs dans l’état final à plusieurs leptons dans l’expérience ATLAS au LHC

Cette thèse propose de mesurer de manière cohérente les différents processus rares de production de quarks top en association avec des bosons, dans l’état final avec deux leptons de même signe ou trois leptons chargés au grand collisionneur de hadrons. La thèse sera basée sur l’analyse du lot de données collecté et en cours d’acquisition par l’expérience ATLAS à une énergie record. L’analyse conjointe des processus ttW, ttZ, ttH et 4top où un signal est bruit de fond de l’autre permettra d’avoir des mesures complètes et non biaisées de l’état final avec plusieurs leptons.
Ces processus rares, accessibles récemment au LHC, peuvent sonder les modèles de nouvelle physique pour lesquels le quark top est un outil prometteur, en particulier en utilisant des théories des champs effectives. Découvrir des signes de nouvelle physique qui dépasse les limitations du modèle standard est une question fondamentale de la physique des particules à l’heure actuelle.

ETUDE DU CENTRE GALACTIQUE ET RECHERCHES D’EMISSION DIFFUSES EN RAYONS GAMMA DE TRES HAUTE ENERGIE AVEC H.E.S.S. ET PERSPECTIVES POUR CTA

Les observations en rayons gamma de très hautes énergies (>100 GeV) sont cruciales pour la compréhension des phénomènes non-thermiques les plus violents à l’oeuvre dans l’Univers. Ces
rayons gamma permettent d’étudier des questions fondamentales sur un vaste éventail de sujets comme les trous noirs supermassifs, l’origine des rayons cosmiques, et la recherche de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard. Les observations multi-longueur d’ondes du centre de la Voie Lactée dévoilent une région complexe et active avec l’accélération de rayons cosmiques à des énergies au-delà du TeV au sein d’objets astrophysiques comme le trou noir supermassif Sagittarius A* au centre de la Voie Lactée, des vestiges de supernova ou des régions de formation d’étoiles. Le Centre Galactique (CG) est l’une des régions du ciel les plus étudiées dans de nombreuses longueurs d’onde, et a fait l’objet de temps d’observations parmi les plus conséquents avec les observatoires haute énergie. Au-delà de la diversité d’accélérateurs astrophysiques, la région du CG devrait être la source la plus brillante d’annihilations de particules de matière noire en rayons gamma.
Le CG abrite un Pevatron cosmique, i.e., un accélérateur de rayons cosmiques jusqu’à des énergies du PeV, des émissions diffuses du GeV au TeV dont le « Galactic Center Excess » (GCE)
dont l’origine est encore inconnue, de potentielles sources variables au TeV, ainsi que possibles populations de sources non encore résolues. L’interaction d‘électrons accélérés au sein de ces
objets produit des rayons gamma de très hautes énergies par diffusion Compton inverse des électrons sur les champs de radiation ambiants. Ces rayons gamma peuvent être aussi produits à
travers la décroissance de pions neutres produits lors de l’interaction inélastique de protons/noyaux avec le gaz ambiant. Parmi les populations de sources non résolues au CG se trouvent une
population de pulsars millisecondes dans le bulbe Galactique ou encore une population de trous noirs de masses intermédiaires (~20-10^5 Msun) suivant la distribution de matière noire du halo. De l’ordre de 10^3 sources permettraient d’expliquer le GCE. De telles populations de sources laisseraient des empreintes caractéris-tiques dans les fluctuations spatiales du bruit de
fond pour lesquelles les balayages de la région du CG en rayons gamma au TeV avec les observatoires H.E.S.S. et le futur CTA constituent un outil unique pour les rechercher.
L’observatoire H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) composé de cinq télescopes à effet Cherenkov atmosphérique, détecte des rayons gamma de quelques dizaines de GeV à plusieurs dizaines de TeV. Depuis 2004, H.E.S.S. observe du CG, avec récemment une campagne d’observation sur plusieurs degrés autour du CG. L’ensemble des données accumulées jusqu’à présent fournit une sensibilité sans précédent pour étudier l’accélération et la propagation de rayons cosmiques, et rechercher des signaux diffus de matière noire dans la région la plus prometteuse du ciel. Ces observations et études sont primordiales pour préparer les programmes d’observations du futur observatoire CTA, optimiser leur mise en oeuvre, et préparer leurs futures analyses.
La thèse portera sur l’analyse et l’interprétation des observations effectuées dans la region centrale de la Voie Lactée avec l’observatoire H.E.S.S. depuis plus de 20 ans. La première partie du travail sera dédiée à l'analyse bas-niveau des données du Centre Galactique, l'étude des incertitudes systématiques dans ce jeu de données massifs, et le développement de modèles de bruit de fond dédié. Dans une seconde partie, l'étudiant(e) combinera l’ensemble des données des phases 1 et 2 de H.E.S.S. pour rechercher des émissions diffuses Galactiques au TeV, des populations de sources non résolues et des signaux de matière noire à l'aide de techniques d'analyse utilisant des patrons pour le signal et le bruit de fonds. La troisième partie portera sur l’implémentation du nouveau cadre d’analyse pour le futur observatoire CTA pour préparer les analyses à venir en utilisant les patrons de signal et de bruit de fond les plus à jour. L'étudiant(e) sera impliqué(e) dans la prise de données et la sélection des observations H.E.S.S.

Phénomenes astrophysiques transitoires à haute énergie

Le cœur du projet de thèse proposé sera la recherche en temps réel d'émissions transitoires de haute énergie liées à la détection d'ondes gravitationnelles et d'autres transitoires astrophysiques multi-messagers comme les neutrinos de haute énergie, les sursauts de rayons gamma, les sursauts radio rapides, les explosions stellaires/nova, etc. Les observations combinées de plusieurs instruments et messagers cosmiques prouveront sans équivoque l'existence d'un accélérateur de particules de haute énergie lié à ces phénomènes et permettront d'obtenir de nouvelles informations sur les explosions les plus violentes de l'univers.
En rejoignant les collaborations H.E.S.S., CTA et SVOM, le candidat au doctorat sera en mesure de diriger les passionnantes campagnes MWL et multi-messagers collectées pendant le cycle physique O4 des interféromètres GW, les premiers événements neutrinos de haute énergie détectés par KM3NeT et les premiers GRBs détectés par le satellite SVOM. Le candidat au doctorat aura également l'opportunité de participer au développement de la plateforme Astro-COLIBRI permettant de suivre les phénomènes transitoires en temps réel via des applications sur smartphone.

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