CUPID-Stage I: Detector optimization and analysis in the context of a next generation 0nbb search
The CUPID experiment (CUORE Upgrade with Particle IDentification) aims to achieve unprecedented sensitivity for the detection of neutrinoless double beta decay (0nßß) using an array of 1596 lithium molybdate (Li2MoO4) crystals of ~450 kg mass. If detected this process would be a direct observation new physics in the lepton sector: in example it violates lepton number by 2 units. Dependent on the model it can provide valuable insight into the neutrino mass-scale and possbily to matter generation in the Universe through leptogenesis.
The use of lithium molybdate for this study is particularly advantageous due to their scintillation properties and the high Q-value of the decay process, which lies above most environmental gamma backgrounds. The CUPID experiment employs this material as cryogenic calorimetric detectors, where the heat signal from particle interactions of O (100 microK/MeV) are registered in a sensitive thermistor at a temperature of ~10 mK. Thanks to the high Q-value Mo-100 features a particularly high sensitivity in terms of large phase space factor and nuclear transition matrix element. This will also allow for precision studies and tests of the standard model, through analyses of the shape of another process: the so-called 2 neutrino double beta decay (2nbb), which is a standard model allowed process. However, this rare process (half-life of 7x10^17yr) is not only an interesting particle/nuclear physics target, it is also expected to contribute the most important background in CUPID: the random coincidence of two events adding up in energy to the Q-value of the 0nßß search.
CUPID aims to deploy its new detector array in two phases: An initial detector array with 1/3 of the mass will be deployed by 2030. In the mean time several tower scale measurement and optimization campaigns during the time of this thesis project will allow to analyze and optimize the detector performance of the CUPID detector modules. The further suppression of this so called pile-up background through detector optimization (acting on the sensor attachment of the light detector with a robotic assembly station developed at CEA) and advanced analysis techniques within this thesis will allow to enhance the sensitivity and science reach of CUPID. A further extension of the analysis techniques developed in this thesis to the processing of an array of O(1000) detectors will be tested with the existing TeO2 detecor array of CUORE. In the context of this process the developed analysis techniques will contribute to the final science analyses of CUORE, the leading experiment for 0nßß search with Te-130.
Optimisation de détecteurs de rayonnement gamma pour l’imagerie médicale. Tomographie par émission de positrons temps de vol
Introduction
Les technologies innovantes d’imagerie fonctionnelles contribuent à la priorité sur les Médecines du Futur du CEA. La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d'imagerie médicale nucléaire largement utilisée en oncologie et en neurobiologie.
La désintégration du traceur radioactif émet des positrons, qui s'annihilent en deux photons de 511 keV. Ces photons sont détectées en coïncidence et utilisées pour reconstituer la distribution de l'activité du traceur dans le corps du patient.
Nous vous proposons de contribuer au développement d’une technologie ambitieuse et brevetée : ClearMind. Le premier prototype est à nos laboratoires. Ce détecteur de photons gamma utilise un scintillant cristal monolithique de haute densité et grand Z, dans lequel sont produits des photons Cherenkov et de scintillation. Ces photons optiques sont convertis en électrons par une couche photo-électrique et multipliés dans une galette à microcanaux. Les signaux électriques induits sont amplifiés par des amplificateurs gigahertz et numérisés par les modules d'acquisition rapide SAMPIC. La face opposée du cristal sera équipée d'une matrice de photo-détecteur en silicium (SiPM).
Aujourd’hui nous disposons d’un premier prototype. Nous travaillons a en construire deux supplémentaires.
Le travail proposé
Vous travaillerez dans un laboratoire d’instrumentation avancé dans un environnement de physique des particules.
Il s’agira d’abord d’optimiser les « composants » des détecteurs ClearMind, pour parvenir à des performances nominales. Nous travaillerons sur les cristaux scintillants, les interfaces optiques, les couches photo-électriques et les photo-détecteurs rapides associés (MCP-PMT et SiPM), les électroniques de lectures.
Il s’agira ensuite de caractériser les performances des détecteurs prototypes sur nos bancs de mesure en développement continu. Les données acquises seront interprétées au moyen de logiciels d’analyse « maison » écris en langage C++ et/ou Python.
Il s’agira enfin de confronter les propriétés mesurées de nos détecteurs à des simulations dédiées (Monté-Carlo sur logiciels Geant4/Gate).
Un effort particulier sera con-sacré au développement de cristaux scintillants ultra-rapides dans le contexte d’une collaboration européenne.
Supervision
Le candidat retenu travaillera sous la supervision conjointe de Dominique Yvon et Viatcheslav Sharyy DRF/ IRFU & BIOMAPS. Le groupe CaLIPSO de l'IRFU & BIOMAPS est spécialisé dans le développement et la caractérisation de détecteurs TEP innovant. Dans le cadre du projet, nous avons une étroite collaboration avec le l’IJCLabs d’Orsay, qui développe nos électroniques de lecture et d’acquisition, le CEA/DM2S qui travaille notamment sur des algorithmes d'IA de confiance, le CPPM de Marseille, qui évalue nos détecteurs dans des conditions d’acquisition d’imagerie TEP et l’UMR BIOMAPS (CEA/SHFJ), travaillant sur les algorithmes de calculs d’image.
Exigences
Des connaissances en physique de l’interaction particules-matière, de la radioactivité et des principes des détecteurs de particules sont indispensables. Un goût prononcé pour l’instrumentation et le travail de laboratoire est recommandé. Il est important d'avoir des compétences de base en programmation, par exemple C++, logiciel de simulation physique Gate/Geant4.
Compétences acquises
Bonne connaissance des technologies de pointe des détecteurs de particules et des tomographes à émission de positrons. Principes et techniques de simulation de l'interaction des particules-matière et les systèmes de détection. Analyse de données complexes.
Contact
Dominique Yvon, dominique.yvon@cea.fr
Viatcheslav Sharyy, viatcheslav.sharyy@cea.fr