À la recherche des exo-aurores
Les aurores sont des phénomènes optiques bien connus dans les planètes du système solaire. Elles ont une grande valeur diagnostique, car leurs émissions révèlent la composition atmosphérique des planètes, la présence de champs magnétiques et les conditions du vent solaire à l'orbite de la planète. La recherche d'aurores sur les exoplanètes et les naines brunes constitue la prochaine étape. Une première avancée dans cette direction a récemment eu lieu, avec la détection d'une émission de CH4 attribuée à l'excitation aurorale sur la naine brune W1935. Cette détection, ainsi que la perspective d'observer d'autres caractéristiques aurorales avec les télescopes existants et à venir, sont à l'origine de ce projet. Nous construirons notamment le premier modèle dédié à l'étude des émissions aurorales de CH4 et H3+ sur les exoplanètes et les naines brunes. Ce modèle sera utilisé pour étudier les conditions sur W1935 et pour prédire la détectabilité des aurores sur d'autres objets substellaires.
Dynamique de faisceau pour un accélérateur laser-plasma multi-étages
Les accélérateurs laser-plasma à champs de sillage (LWFAs) peuvent produire des gradients d'accélération supérieurs à 100 GV/m, ouvrant la voie à la réduction de la taille et du coût des futurs accélérateurs haute énergie pour des applications en rayonnement synchrotron, lasers à électrons libres, ainsi que des applications médicales et industrielles émergentes.
L’augmentation de l’énergie et de la charge du faisceau nécessite à la fois une maturité technologique et des schémas d'accélération innovants. Les configurations multi-étages — connectant plusieurs étages d'accélération plasma — offrent des avantages clés : augmenter l'énergie du faisceau au-delà des limites d'une cellule unique et améliorer la charge totale et/ou la cadence de répétition. Ces systèmes visent à surmonter les limitations des accélérateurs mono-étage tout en maintenant ou améliorant la qualité du faisceau à plus hautes énergies.
Concevoir un accélérateur délivrant des faisceaux stables, reproductibles et de haute qualité nécessite une compréhension approfondie de la physique de l'accélération plasma et du transport de faisceau entre les étages successifs.
S'appuyant sur l'expertise du DACM du CEA Paris-Saclay, cette thèse se concentrera sur les études physiques et numériques nécessaires pour proposer une conception intégrée d'un LWFA multi-étages, avec une attention particulière à l'optimisation de tous les composants —cellule plasma et lignes de transport — afin de préserver la qualité du faisceau en termes de taille transverse, divergence, émittance et dispersion en énergie.
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.
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.
Formation des magnétars : de l’amplification à la relaxation des champs magnétiques les plus extrêmes
Les magnétars sont les étoiles à neutrons arborant les plus forts champs magnétiques connus dans l’Univers, observées comme des sources galactiques de haute énergie. La formation de ces objets figure parmi les scénarios les plus étudiés pour expliquer certaines des explosions les plus violentes : les supernovae superlumineuses, les hypernovae et les sursauts gamma. Notre équipe a réussi au cours des dernières années à reproduire numériquement des champs magnétiques d’une intensité comparable à celle des magnétars en simulant des mécanismes d'amplification dynamo qui se développent dans les premières secondes après la formation de l’étoile à neutrons. La plupart des manifestations observationnelles des magnétars nécessitent cependant que le champ magnétique survive sur des échelles de temps bien plus longues (de quelques semaines pour les supernovae superlumineuses à des milliers d’années pour les magnétars galactiques). Cette thèse consistera à développer des simulations numériques 3D de relaxation du champ magnétique initialisées à partir de différents états dynamo calculés précédemment par l’équipe, en les prolongeant vers des stades plus tardifs après la naissance de l’étoile à neutrons lorsque la dynamo n’est plus active. L’étudiant.e déterminera ainsi comment le champ magnétique turbulent généré dans les premières secondes va évoluer pour éventuellement atteindre un état d’équilibre stable, dont on cherchera à caractériser la topologie et à le confronter aux observations électromagnétiques.
Comprendre l’origine de la remarquable efficacité de formation des galaxies lointaines
Le télescope spatial James Webb révolutionne notre compréhension de l’univers lointain. Un résultat s’impose qui questionne nos modèles : la très grande efficacité de formation d’étoiles des galaxies lointaines. Mais ce constat est dérivé de manière indirecte : on mesure la masse d’étoiles dans les galaxies, pas leur taux de formation d’étoiles. C’est la principale faiblesse du James Webb. Le but de cette thèse est de remédier à cette faiblesse du James Webb en utilisant sa capacité de résolution angulaire, qui n’a jusqu’ici pas été prise en compte afin d’obtenir une mesure plus robuste du SFR des galaxies distantes. On en déduira une loi qui permettra d’améliorer la robustesse de la détermination du SFR grâce aux propriétés morphologiques et en combinant les données du James Webb avec celles d’ALMA (z=1-3). Puis on l’appliquera à l’univers lointain (z=3-6, 2e partie) et on l’utilisera comme benchmark pour les simulations numériques (3e partie).
Forme exotique du noyau : spectroscopie d'actinides déficients en neutrons avec le détecteur SEASON
La question de la limite de stabilité des noyaux, tant en terme d'asymétrie protons/neutrons qu'en terme de masse, est une question importante de la physique nucléaire moderne. Dans la région des noyaux lourds, les actinides déficients en neutrons présentent un intérêt particulier. En effet, de fortes déformations octupolaires, donnant au noyau une forme de poire, sont prédites et ont même été déjà observées dans certains noyaux. Ces déformations semblent jouer un rôle important sur la stabilité des noyaux, sur les modes de désintégration accessibles, voire sur des effets liés à la physique au-delà du modèle standard. L'objectif de cette thèse est de continuer l'étude systématique de ces déformations en mettant à profit le tout nouveau détecteur SEASON, dont la première expérience aura lieu en février 2026 à l'université de Jyväskylä en Finlande. La thèse sera principalement centrée sur l'analyse des données d'une expérience qui fera partie de la campagne réalisée à l'été 2026 à Jyväskylä. Plusieurs expériences sont envisagées en utilisant des réactions de fusion-évaporation avec différents couples faisceau/cible. Les actinides ainsi produits seront envoyés dans le détecteur SEASON où leur spectroscopie de décroissance aura lieu. En fonction de l'évolution des plannings, une autre campagne de mesures pourra être envisagée au cours de l'année 2027. Le retour de l'instrument en France pour être installé auprès du spectromètre S3 à GANIL (Caen) pourrait également avoir lieu au cours de la thèse.
La thèse pourra être codirigée avec l'Université de Jyväskylä.
TRANSFORMER : de la généalogie des halos de matière noire aux propriétés baryoniques des amas de galaxies.
La thèse propose de prédire les propriétés baryoniques des amas de galaxies en fonction de l'historique de la formation des halos de matière noire, au moyen de réseaux de neurones novateurs (Transformers). Le travail fera appel à des simulations numériques intensives. Ce projet se situe dans le cadre général de la détermination des paramètres cosmologiques par l'observation des amas de galaxies en rayons X. Il est en lien direct avec le programme international Heritage dans le champ profond XMM-Euclid FornaX.
Développement d’algorithmes de trajectographie basés sur l’apprentissage automatique pour le détecteur Upstream Pixel de LHCb au LHC
Cette thèse vise à développer et optimiser les futures performances de trajectographie de l’expérience LHCb au Grand collisionneur de hadrons (LHC) grâce à l’exploration d’algorithmes avancés d’apprentissage automatique. Le nouveau sous-détecteur Upstream Pixel (UP), situé avant le champ magnétique, jouera un rôle central à partir du Run 5 pour réduire précocement le taux de fausses traces et améliorer la reconstruction rapide des trajectoires dans des environnements à forte multiplicité.
Afin de mener avec succès les programmes de physique ambitieux de LHCb — étude des désintégrations rares, violation de CP dans le Modèle Standard, caractérisation du plasma de quarks et de gluons dans les collisions d’ions lourds — une trajectographie rapide et extrêmement précise est indispensable. Cependant, l’augmentation des taux de données et de la complexité des événements attendue pour les futures prises de données impose de dépasser les méthodes classiques, en particulier dans les collisions noyau-noyau où des milliers de particules chargées sont produites simultanément.
Dans ce contexte, nous étudierons une gamme de techniques modernes d’apprentissage automatique, dont certaines ont déjà fait leurs preuves pour la trajectographie dans le détecteur VELO de LHCb. En particulier, les Réseaux de Neurones à Graphes (Graph Neural Networks, GNN) constituent une solution prometteuse permettant d’exploiter les corrélations géométriques entre impacts pour améliorer l’efficacité de reconstruction tout en réduisant les faux positifs.
Le travail de thèse comprendra dans un premier temps le développement d’une simulation GEANT4 réaliste du détecteur UP afin de produire des jeux de données adaptés à l’apprentissage machine. Dans un second temps, les modèles les plus performants seront optimisés pour une exécution en temps réel sur GPU, en accord avec l’évolution du système de reconstruction Allen de LHCb. Ils seront ensuite intégrés et validés dans le framework logiciel de l’expérience, avec à la clé une contribution majeure à la performance de LHCb pour le Run 5 et les phases ultérieures du programme expérimental.