Exploration des exoplanètes rocheuses avec le JWST

L’un des principaux objectifs du télescope spatial JWST est de caractériser, pour la première fois, les atmosphères des exoplanètes rocheuses et tempérées, une étape clé dans la recherche de mondes potentiellement habitables. Les exoplanètes rocheuses tempérées accessibles au JWST sont principalement celles en orbite autour d’étoiles de type M. Cependant, une question majeure demeure quant à la capacité des planètes orbitant autour de ces étoiles froides à conserver leur atmosphère. En 2024, un programme exceptionnel de 500 heures de temps discrétionnaire du directeur (Director’s Discretionary Time, DDT), intitulé Rocky Worlds, a été consacré à cette thématique, soulignant son importance stratégique au plus haut niveau (NASA, STScI).
L’objectif principal de ce projet de doctorat est : 1) Analyser l’ensemble des données d’éclipses JWST/MIRI disponibles pour les exoplanètes rocheuses issues du programme Rocky Worlds et d’autres programmes publics, en utilisant un cadre d’analyse cohérent et homogène ; 2) Rechercher des tendances à l’échelle des populations dans les observations et de les interpréter à l’aide de simulations atmosphériques tridimensionnelles.
À travers ce travail, nous visons à identifier les processus physiques qui régissent la présence et la composition des atmosphères des exoplanètes rocheuses tempérées.

Etude numérique de la turbulence interstellaire à l'heure de l'exascale

Ce projet de thèse vise à mieux comprendre la turbulence du milieu interstellaire, un phénomène clé pour la formation des étoiles et des structures galactiques. Cette turbulence, à la fois magnétisée, supersonique et multiphasique, influence la manière dont l’énergie se propage et se dissipe, régulant ainsi l’efficacité de la formation stellaire à travers l’histoire de l’Univers. Son étude est complexe car elle implique une vaste gamme d’échelles spatiales et temporelles, difficile à reproduire numériquement. Les progrès du calcul haute performance, notamment l’arrivée des supercalculateurs exascale à GPU permet désormais d’envisager des simulations beaucoup plus fines.

Le code Dyablo, développé à l’IRFU, sera utilisé pour réaliser des simulations tridimensionnelles de très grande taille, avec un maillage adaptatif pour affiner les zones de dissipation d’énergie. L’étude progressera par étapes : d’abord des écoulements simples et isothermes, puis des modèles incluant chauffage, refroidissement, champ magnétique et gravité. Les propriétés turbulentes seront analysées via spectres de puissance, fonctions de structure et distributions de densité, afin de mieux comprendre la formation des zones denses propices à la naissance des étoiles. Enfin, une extension du travail à l’échelle galactique, en collaboration avec d’autres instituts français, visera à explorer la cascade d’énergie turbulente à grande échelle dans les galaxies entières.

Du détecteur à la découverte : construire le trajectographe interne d’ATLAS et explorer la physique du boson de Higgs au HL-LHC

Ce sujet de thèse combine un volet instrumental et un volet d’analyse physique lié à la physique du boson de Higgs au LHC. Il porte à la fois sur la construction et la mise en service du nouveau trajectographe de l’expérience ATLAS (ITk) et sur l’étude de la sensibilité d’ATLAS, durant la phase à haute luminosité du LHC (HL-LHC), à des processus clés mettant en jeu les couplages du boson de Higgs, fortement dépendants des performances de l’ITk. Le candidat participera au développement, à l’exploitation et à l’optimisation des bancs de test pour les modules à pixels ITk au CEA. Le CEA, en collaboration avec deux autres laboratoires de la région parisienne, est responsable de l’assemblage et des tests d’environ 20 % des modules à pixels de l’ITk. L’étudiant contribuera également à la mise en service du détecteur au CERN. Parallèlement, le doctorant mènera une analyse de physique visant à étudier la sensibilité des données d’ATLAS aux interactions entre le boson de Higgs et le quark top lors de la phase HL-LHC. Cela inclura notamment une analyse de la violation de CP dans le canal ttH, ainsi qu’une étude de la production tH, un processus particulièrement sensible aux couplages Higgs–top et Higgs–W. Les deux premières années de thèse seront basée au CEA Saclay, tandis que la dernière année sera basée au CERN.

Cosmologie avec la forêt Lyman-alpha du grand relevé cosmologique DESI.

La distribution de matière à grande échelle dans l'univers est utilisée pour tester nos modèles cosmologiques. On utilise pour cela avant tout les oscillations acoustiques de baryons (BAO) mesurée dans la fonction de corrélation à deux points de cette distribution. Cependant l'ensemble du champ de matière contient des informations à diverses échelles, qui permettent de mieux contraindre nos modèles que le BAO seul. A redshift z > 2, la meilleure sonde de cette distribution de matière est la forêt Lyman-alpha, un ensemble de raies d'absorption mesurées dans les spectres de sources lointaines. Le grand relevé spectroscopique DESI a collecté environ un million de ces spectres. Avec un lot partiel de données "DR2", nous avons déjà mesuré le BAO avec une précision de 0.7%, contraignant ainsi fortement le taux d'expansion de l'univers au cours des premiers milliards d'années de son évolution.

Le but de cette thèse est d'exploiter l'ensemble complet des données Lyman-alpha à grande échelle de DESI pour obtenir les meilleures contraintes possibles sur les modèles cosmologiques. Pour cela, dans une première étape l'étudiant appliquera pour la première fois une méthode dite de reconstruction, qui permet d'améliorer la précision de la mesure du BAO, en exploitant l'information du champ de densité de matière. Dans la suite de sa thèse, en lien avec des efforts similaires menés dans notre groupe avec les galaxies de DESI, il implémentera une nouvelle méthode dite de simulation-based inference: dans cette approche l'ensemble du champ de matière est utilisé directement pour estimer les paramètres cosmologiques en particulier l'énergie noire. L'étudiant apportera ainsi une pierre importante aux mesures cosmologiques finales de DESI avec le Lyman-alpha.

Cette thèse sera de préférence précédée d'un stage.

Estimation impartiale du cisaillement pour Euclid avec modélisation automatiquement différentiable et accélérée par GPU

Le projet de thèse porte sur la mesure sans biais du cisaillement gravitationnel faible, un effet dû à la déviation de la lumière des galaxies par la matière présente sur la ligne de visée. Cette technique est essentielle pour étudier la matière noire, l’énergie noire et la gravité, et constitue un pilier de la mission spatiale Euclid, lancée en 2023. Les méthodes classiques de mesure des formes de galaxies introduisent des biais systématiques dans l’estimation du cisaillement. L’objectif de cette thèse est de développer une approche innovante de modélisation directe permettant d’inférer le cisaillement sans passer par la mesure de forme, en simulant des images de galaxies réalistes à l’aide d’architectures d’apprentissage profond. Le doctorant participera à l’adaptation de cette méthode aux données réelles d’Euclid, en intégrant la complexité du système de traitement des données (SGS) et en optimisant le calcul sur GPU et supercalculateurs. Ce travail s’inscrit dans un contexte très dynamique, coïncidant avec la première diffusion publique des données d’Euclid prévue pour 2026. Les résultats attendus sont une estimation du cisaillement plus précise et robuste, ouvrant la voie à des analyses cosmologiques de nouvelle génération.

Analyse spectro-temporelle de l'émission rémanente des sursaut gamma cosmiques détectés avec SVOM

Les sursauts gamma cosmiques (Gamma-Ray Bursts, GRBs) sont les explosions les plus puissantes de l'Univers. Ils durent quelques dizaines de secondes et émettent autant d'énergie que le Soleil pendant toute sa durée de vie. Leur émission en rayons gamma est suivie d'une émission de longue durée (de quelques heures à plusieurs jours) allant des rayons X à la bande radio. Cette émission « rémanente » est riche en informations sur l'environnement proche du GRB et sur la galaxie hôte. SVOM (Space based astronomical Variable Object Monitor) est une mission sino-française dédiée à l'étude des GRB, qui a été lancée avec succès en juin 2024. Elle embarque une charge utile multi-longueurs d'onde couvrant les rayons gamma/rayons X/optiques et comprend deux télescopes robotiques terrestres dédiés au Mexique et en Chine.
Le projet de doctorat est axé sur l'exploitation des données SVOM pour les GRB. Le candidat retenu rejoindra l'équipe scientifique MXT au DAp. MXT est un nouveau type de télescope à rayons X, dont le DAp est responsable et dont le centre d'instrumentation est également hébergé au DAp.
Le doctorant participera activement à l'analyse spectrale et temporelle des données MXT. Ces données seront comparées
aux autres données acquises par la collaboration SVOM, en particulier dans les domaines optique et infrarouge.
Cet ensemble de données sera utilisé comme support à l'interprétation physique des sursauts gamma. Plus précisément, les aspects liés à la modélisation de l'injection d'énergie dans les premières phases de la rémanence seront utilisés pour déterminer la nature de l'objet compact à l'origine du flux relativiste, générant l'émission électromagnétique observée.

Estimation du bruit neutronique stochastique à l’aide d’une approche numérique de simulation d’événements rares. Application au suivi de la réactivité de systèmes nucléaires.

Ce sujet de thèse vise à développer une méthode innovante permettant de caractériser la réactivité de systèmes fissiles à partir de l’analyse de leurs fluctuations stochastiques (bruit neutronique à zéro puissance). Dans un milieu fissile sous-critique, les neutrons issus de fissions spontanées peuvent initier des réactions en chaîne plus ou moins courtes et aléatoires, générant un signal fluctuant. Ce bruit porte une information essentielle sur la distance du système étudié à la criticité, paramètre déterminant pour la sûreté des installations nucléaires (prévention de différents accidents de sûreté-criticité) et pour la détection de matières fissiles non déclarées (sécurité et non-prolifération de matières nucléaires).

Les approches théoriques existantes pour déduire la réactivité d'un système à partir du bruit neutronique sont en effet limitées aux situations idéalisées et deviennent inadaptées dans des configurations réalistes, en particulier lorsque le système est fortement sous critique ou lorsqu’il existe des incertitudes fortes sur sa géométrie ou sa composition (cas des coriums de Fukushima Daiichi ou du stockage de combustibles irradiés). Recourir à des simulations Monte Carlo constitue alors une alternative naturelle, mais ces simulations nécessitent la mise en oeuvre de méthodes de réduction de variance qui ne peuvent préserver correctement les fluctuations stochastiques.

La thèse propose d’adresser ce verrou scientifique en adaptant une méthode de réduction de variance relativement récente dite Adaptive Multilevel Splitting (AMS), utilisée pour explorer efficacement des événements rares tout en conservant leurs propriétés statistiques. L’objectif est d’étendre cette méthode au cas du transport neutronique dans des milieux reproducteurs et d’en faire un outil capable de simuler fidèlement les corrélations temporelles caractéristiques du bruit neutronique. Après développement théorique, l’algorithme sera implémenté dans Geant4, puis comparé à des solutions analytiques et validé expérimentalement via des mesures in situ (utilisant des sources de neutron ou auprès de réacteur). À terme, ce travail pourra ouvrir sur des applications directes en surveillance nucléaire, diagnostic de sûreté et physique des détecteurs, mais présente également des perspectives en physique fondamentale et en physique médicale.

De la toile cosmique aux galaxies : retracer l'accrétion de gaz à haut redshift par les observation et les simulations

Cette thèse vise à développer une compréhension intégrée des galaxies à haut redshift au sein de leurs structures à grande échelle. Nous étudierons comment les mécanismes de rétroaction (« feedback ») et l'activité nucléaire de ces galaxies affectent leur environnement, en couplant des données observationnelles avec des simulations cosmologiques.
Nos objectifs principaux sont de :
1. Faire progresser les capacités de diagnostic pour l'étude du gaz diffus.
2. Tester et valider les paradigmes actuels sur l'accrétion de gaz.
Notre travail observationnel s'appuiera sur de nouvelles données du télescope Keck et du Very Large Telescope concernant les halos Lyman-alpha autour de groupes et amas massifs à z>2, dont nous disposons déjà en grande partie. Nous intégrerons également les données de plus en plus nombreuses du télescope spatial James Webb (JWST) sur les mêmes cibles, afin de révéler les propriétés des galaxies et de leurs noyaux actifs (AGN).
Sur le plan théorique, nous utiliserons les résultats publics des simulations TNG100, HORIZON5 et CALIBRE pour comprendre l'évolution des galaxies, en tirant des enseignements des succès comme des échecs lors de la comparaison avec les observations. In fine, cela nous permettra de guider le développement de nouvelles simulations haute fidélité du milieu circum-galactique, conçues spécifiquement pour contraindre les processus d'accrétion de gaz.
Cette recherche soutient directement notre objectif à long terme de nous préparer à l'exploitation de BlueMUSE, un nouvel instrument en cours de construction pour le VLT auquel nous participons. Elle permettra également de répondre à l'une des questions ouvertes majeures en astrophysique, telle qu'identifiée par le rapport décennal Astro2020.

Cacracterisation et calibration de détecteurs cryogéniques à l'échelle de 100 eV pour la détection de la diffusion cohérente des neutrinos (CEvNS)

DESCRIPTIONS:

L’expérience NUCLEUS [1] cherche à détecter les neutrinos de réacteur via la diffusion élastique cohérente neutrino-noyau (CEvNS). Prédit en 1974 et mis en évidence pour la première fois en 2017, ce processus donne accès à des tests inédits du modèle standard à basse énergie. La cohérence de la diffusion sur l’ensemble du noyau augmente de plusieurs ordres de grandeurs sa section efficace ce qui en fait également une opportunité pour la surveillance des réacteurs par les neutrinos. Le dispositif expérimental de NUCLEUS est en cours d’installation auprès des réacteurs EDF de Chooz (Ardennes, France) qui sont une source intense de neutrinos. Le seul signal physique d’un événement CEvNS est l’infime recul du noyau cible, avec une énergie très faible, inférieure à 1 keV. Pour le détecter NUCLEUS utilise des cristaux de CaWO4 d’environ 1 g, placés dans un cryostat qui les refroidis à une température de 15 mK. Le recul du noyau provoque des vibrations du réseau cristallin équivalentes à une élévation de la température de ~100 µK, mesurée à l’aide d’un capteur Transition Edge Sensor (TES) déposé sur le cristal. Ces détecteurs permettent d’atteindre d’excellentes résolutions en énergie de seulement quelques ~eV et des seuils de détection de l’ordre de ~10 eV [2]. Le dispositif expérimental de NUCLEUS a été testé et validé en 2024 à TU-Munich [3] et la prisse de données à Chooz commencera à l’été 2026, en même temps que la thèse. Une première contribution portera sur l’acquisition des données sur site réacteur et leur analyse. Plus spécifiquement, l’étudiant(e) sera en charge de la caractérisation des détecteurs cryogéniques en CaWO4 déployés : stabilité, résolution en énergie, calibration et bruit de fond intrinsèque au cristal.

La question de la calibration à l’échelle sub-keV est un point crucial des expériences de CEvNS (et de matière noire). Or jusqu’à présent il était très difficile de générer des reculs nucléaires d’énergie connue pour caractériser la réponse des détecteurs. La méthode CRAB [4,5] répond à ce besoin en utilisant la réaction de capture de neutrons thermiques (énergie de 25 meV) sur les noyaux constituant le détecteur cryogénique. Le noyau composé résultant a une énergie d’excitation bien connue, l’énergie de séparation d’un neutron, comprise entre 5 et 8 MeV selon les isotopes. Dans le cas où il se désexcite en émettant un seul photon gamma, le noyau va reculer avec une énergie qui est aussi parfaitement connue car donnée par la cinématique à deux corps. Un pic de calibration, dans la gamme recherchée de quelques 100 eV, apparaît alors dans le spectre en énergie du détecteur cryogénique. Une première mesure réalisée, en 2022, avec un détecteur en CaWO4 de l’expérience NUCLEUS et une source de neutrons commerciale (252Cf) a permis de valider la méthode [6].

La deuxième partie de la thèse s’inscrit dans la phase « haute précision » de ce projet qui consiste à réaliser des mesures avec un faisceau pur de neutrons thermiques du réacteur TRIGA-Mark-II à Vienne (TU-Wien, Autriche). Le dispositif expérimental de calibration a été installé et caractérisé avec succès en 2025 [7]. Il consiste en un cryostat contenant les détecteurs cryogéniques à caractériser, entouré de larges cristaux de BaF2 pour une détection en coïncidence du recul nucléaire et du rayon gamma qui a induit ce recul. L’ensemble est placé directement sur l’axe du faisceau qui fournit un flux d’environ 450 n/cm2/s. Cette méthode de coïncidence réduira significativement le bruit de fond et permettra d’étendre la méthode CRAB à un plus large domaine d’énergie et aux matériaux constitutifs de la plupart des détecteurs cryogéniques. Nous attendons de ces mesures une caractérisation unique de la réponse des détecteurs cryogéniques, dans un domaine d’intérêt pour la recherche de la matière noire légère et la diffusion cohérente de neutrinos. En parallèle de la mesure de reculs nucléaires, l’installation d’une source de rayons X de basse énergie dans le cryostat permettra de générer des reculs électroniques ce qui mènera à la comparaison directe de la réponse du détecteur à des dépôts d’énergie sous le keV produits par des reculs nucléaires et d’électrons.

L’arrivée en thèse de l’étudiant(e) coïncidera avec la finalisation du programme de mesure sur les détecteurs en CaWO4 et Al2O3 de NUCLEUS et avec le début du programme de mesures sur le Ge (détecteur du projet TESSERACT) ainsi que sur le Si (détecteur du projet BULLKID).
La haute précision permettra également l’ouverture d’une fenêtre de sensibilité à des effets fins couplant de la physique nucléaire (temps de désexcitation du noyau) et de la physique du solide (temps de recul du noyau dans la matière, création de défauts cristallins lors du recul d’un noyau) [8].

L’étudiant(e) sera fortement impliqué dans tous les aspects de l’expérience : la simulation, l’analyse et l’interprétation des résultats obtenus.

ETAPES DU TRAVAIL:

L’étudiant(e) participera activement aux prises de données et à l’analyse des premiers résultats des détecteurs cryogéniques en CaWO4 de NUCLEUS à Chooz. Ce travail sera réalisé en collaboration avec les groupes des départements de physique nucléaire (DPhN), de physique des particules (DPhP) du CEA-Saclay et avec l’équipe de TU-Munich. Il commencera par une prise en main du code d’analyse CAIT pour les détecteurs cryogéniques. L’étudiant(e) étudiera plus spécifiquement les aspects de calibration via la réponse des détecteurs aux reculs électroniques issus de pulses de photons optiques injectés par fibres et de rayons X de fluorescence induits par les rayons cosmiques. Une fois cette calibration établie deux types de bruit de fond seront étudiés : les reculs nucléaires induits dans la gamme du keV par les neutrons rapides cosmogéniques et un bruit fond à basse énergie, appelé Low Energy Excess (LEE), intrinsèque au détecteur. La comparaison en les spectres expérimentaux et simulés du bruit de fond de neutrons rapides sera discutée à la lumière des différences entre réponses nucléaires et électroniques mesurées dans le projet CRAB. Les longues périodes de prises de données sur le site de Chooz seront mises à profit pour étudier l’évolution temporelle du bruit LEE. Ce travail se fera dans le cadre d’une collaboration en cours avec des spécialistes de la physique des matériaux de l'Institut des Sciences Appliquées et de la Simulation (CEA/ISAS) pour comprendre l’origine du LEE, qui reste une question ouverte majeure dans la communauté des détecteurs cryogéniques.

Les compétences d’analyse acquises sur NUCLEUS seront ensuite mises à profit pour les campagnes de mesures CRAB de haute précision prévues en 2027 auprès du réacteur TRIGA (TU-Wien) avec des détecteurs en Ge et Si.L’étudiant(e) sera fortement impliqué(e) dans la mise en place de l’expérience, dans la prise de données et l’analyse des résultats. Ces mesures prévues sur le Ge dans les canaux phonon et ionisation, ont le potentiel de lever l’ambiguïté actuelle sur le rendement d’ionisation des reculs nucléaires à basse énergie, qui sera un facteur déterminant de la sensibilité des expériences.

La haute précision de la calibration sera également exploitée pour étudier des effets fins de physique nucléaire et du solide (effets de timing et de création de défauts cristallins par le recul du noyau dans le détecteur). Cette étude sera réalisée en synergie avec les équipes de l’IRESNE et de l’ISAS au CEA qui nous fournissent des simulations détaillées des cascades gamma de désexcitation nucléaire et des simulations de dynamique moléculaire pour le recul des noyaux dans la matière.

A travers ce travail l’étudiant(e) aura une formation complète de physicien(ne) expérimentateur(trice) avec de fortes composantes de simulation et d’analyse de données, mais aussi un apprentissage des techniques de cryogénie dans le cadre de la mise en service des détecteurs de NUCLEUS et CRAB. Les contributions proposées mèneront à plusieurs publications durant la thèse avec une forte visibilité dans les communautés de la diffusion cohérente de neutrino et de la recherche de matière noire.

Au sein du CEA il (elle) bénéficiera du caractère exceptionnellement transverse de ce projet qui met déjà en interaction régulière les communautés de physique nucléaire, physique des particules et physique de la matière condensée.

COLLABORATIONS:

NUCLEUS: Allemagne (TU-Munich, MPP), Autriche (HEPHY, TU-Wien), Italie (INFN), France (CEA-Saclay).
CRAB: Allemagne (TU-Munich, MPP), Autriche (HEPHY, TU-Wien), Italie (INFN), France (CEA-Saclay, CNRS-IJCLab, CNRS-IP2I, CNRS-LPSC).

REFERENCES:

[1] NUCLEUS Collaboration, Exploring CE?NS with NUCLEUS at the Chooz nuclear power plant, The European Physical Journal C 79 (2019) 1018.
15, 48, 160, 174
[2] R. Strauss et al., Gram-scale cryogenic calorimeters for rare-event searches, Phys. Rev. D 96 (2017) 022009. 16, 18, 78, 174
[3] H. Abele et al., Particle background characterization and prediction for the NUCLEUS reactor CE?NS experiment, https://arxiv.org/abs/2509.03559
[4] L. Thulliez, D. Lhuillier et al. Calibration of nuclear recoils at the 100 eV scale using neutron capture, JINST 16 (2021) 07, P07032
(https://arxiv.org/abs/2011.13803)
[5]https://irfu.cea.fr/dphp/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?id_ast=4970
[6] H. Abele et al., Observation of a nuclear recoil peak at the 100 eV scale induced by neutron capture, Phys. Rev. Lett. 130, 211802 (2023) (https://arxiv.org/abs/2211.03631)
[7] H.Abele et al., The CRAB facility at the TUWien TRIGA reactor: status and related physics program, (https://arxiv.org/abs/2505.15227)
[8] G. Soum-Sidikov et al., Study of collision and ?-cascade times following neutron-capture processes in cryogenic detectors Phys. Rev. D
108, 072009 (2023) (https://arxiv.org/abs/2305.10139)

Observateurs explicables et IA interprétable pour accélérateurs supraconducteurs et identification d’isotopes radioactifs

Les accélérateurs du GANIL, SPIRAL1 et SPIRAL2, génèrent des données complexes dont l’interprétation reste difficile. SPIRAL2 souffre d’instabilités dans ses cavités supraconductrices, tandis que SPIRAL1 requiert une identification fiable des isotopes dans des conditions bruitées.
Ce projet de thèse vise à développer une IA interprétable fondée sur la théorie des observateurs, combinant modèles physiques et apprentissage automatique pour détecter, expliquer et prédire les anomalies. En intégrant des approches causales et des outils d’explicabilité comme SHAP et LIME, il renforcera la fiabilité et la transparence du fonctionnement des accélérateurs.