Applications environnementales de l'étude métrologique des réactions photonucléaires sur les éléments légers.

Le LNHB est en train de développer au travers d'une thèse et d'un projet financé par le LNE, un prototype de détection des matières illicites en utilisant la méthode d’interrogation photonique active et basé sur la spectrométrie des photoneutrons émis par des cibles irradiées par un accélérateur linéaire d'électron. Ce nouveau sujet de thèse consiste à étudier les réactions photonucléaires sur des éléments légers pour des applications environnementales, en premier au travers d'une meilleure compréhension des photoneutrons, neutrons secondaires et des taux de production de radionucléides cosmogéniques produits dans l'atmosphère lors des flashs de rayons gamma terrestres associés aux orages ou des sursauts gamma d'origine cosmique. L'installation expérimentale unique du LNHB-MD sera utilisée pour obtenir des données nucléaires de base tels les distributions angulaires et en énergie des photoneutrons émis par des d'éléments légers ainsi qu'une caractérisation des produits d'activation. Les données recueillies permettront d'améliorer la description des processus photonucléaires pour les éléments légers dans les codes Monte-Carlo et d'estimer leur influence sur des grandeurs mesurables au travers de codes de simulation de phénomènes environnementaux. La même méthodologie pourra être appliquée pour l'étude des réactions photonucléaires ayant lieu dans les roches - composées principalement d'éléments légers - suite à l'irradiation par des photons de haute énergie d'origine naturelle ou artificielle, ceci pour la détection de minéraux et la détermination d'albédo neutron.

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.

Description cinétique de l’interaction laser-plasma pour la fusion inertielle

De nombreuses applications, telles que la fusion par confinement inertiel, demandent de comprendre les mécanismes physiques liés à la propagation de faisceaux laser très énergétiques dans un plasma. En particulier, dans le cas de la fusion, on veut quantifier le dépôt d’énergie laser sur une cible de Deuterium-Tritium cryogénique, et l’efficacité avec laquelle on peut comprimer cette cible pour déclencher les réactions de fusion. Or, lors de leur propagation, les faisceaux laser créent une onde plasma qui croît au détriment de l’énergie laser incidente. La croissance de cette onde n’est cependant pas infinie et s’arrête lorsque l’onde se brise (on dit encore qu’elle déferle). Cela s’accompagne de la production d’électrons chauds qui peuvent préchauffer la cible et entraver sa compression. Le déferlement d’une onde plasma est un phénomène physique de type cinétique, dont la description correcte passe par le calcul de la répartition en vitesses des électrons du plasma. Le but de la thèse est d'étudier le déferlement à la fois d'un point de vue théorique et numérique, en utilisant des codes cinétiques de type Vlasov. Une des principales difficultés réside dans la discontinuité des fonctions de distribution à décrire. Il s'agit, de plus, de décrire le déferlement depuis sa phase linéaire jusqu'au régime non linéaire, ce qui permet de quantifier la création d'électrons chauds. Le but ultime de la thèse est d'arriver à des modèles suffisamment simples pour tourner sur les codes de dimensionnement du CEA.

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.

Développement d’un dispositif de mesure par coïncidences neutron/gamma pour la caractérisation de sources neutrons type XBe

Ce travail de recherche s’inscrit dans le cadre des activités d’étalonnages de sources neutroniques au LNHB et de R&D au sein du SIMRI - CEA/LIST, visant à développer des chaînes de mesures neutroniques pour le CEA et pour l’industrie nucléaire. L’objectif du travail de thèse est de développer un dispositif de mesure compact par coïncidences neutron/gamma afin d’améliorer la caractérisation des sources de type XBe – réaction (alpha,n) ou mixtes (alpha,n) et fission spontanée. On peut citer par exemple : américium-béryllium, plutonium-béryllium, curium-béryllium, ou encore des sources exotiques de forte émissivité et mélangeant plusieurs radionucléides alpha (ex. américium-plutonium-béryllium). Pour cette famille de sources, l’émission de neutron par réaction (alpha,n) s’accompagne de l’émission simultanée d’un photon gamma caractéristique à 4,4 MeV. La détection du neutron et du gamma en coïncidence est susceptible d’apporter une information d’intérêt dans le processus de caractérisation de la source, que ce soit pour la mesure du débit d’émission neutronique ou pour la détermination du spectre en énergie des neutrons. Il s’agit de mesurer précisément les signatures gamma et neutrons ainsi que les rapports d’intensité gamma/neutron issus des réactions conduisant à l’émission d’un neutron. Le dispositif devra être capable de mesurer également les neutrons émis par réaction de fission spontanée ou par réaction (n,2n) dans le béryllium. D’autres émissions photoniques sont également susceptibles de fournir des informations d’intérêts, par exemple, l’émission d’un gamma à 2,2 MeV issue d’une réaction de capture sur l’hydrogène. Les mesures de coïncidences neutron/gamma serviront aussi à améliorer l’évaluation des données nucléaires comme les sections efficaces de captures de certains éléments d’intérêts, ex. réaction (n,gamma) sur l’oxygène ou sur l’hydrogène.

Mesure de la distribution complète des fragments de fission isotopiques du 241Pu en utilisant la cinématique inverse à GANIL avec VAMOS et PISTA

La technique de la cinématique inverse est utilisée au GANIL pour produire la fission dite en vol. Le système fissionant accéléré est excité par une réaction nucléaire, et en particulier par une réaction de transfert de nucléons entre le faisceau et la cible. Les fragments de fission sont donc émis aux angles avant dans le laboratoire à cause du boost cinématique de la réaction. Le spectromètre magnétique à large acceptance VAMOS est utilisé pour identifier en masse et en charge nucléaire les différents fragments alors que les télescopes silicium sont utilisés pour caractériser le système fissionant en détectant l'éjectile émis par la réaction de transfert.
Le projet fission@VAMOS consiste en l'amélioration du système de détection silicium utilisé pour identifier le système fissionnant produit par réaction de transfert. Le dispositif actuel est donc un ensemble de télescope silicium hautement segmenté appelé PISTA qui permet d'améliorer la sensibilité et la précision des conditions de formation du système fissionant (masse, nombre atomique, énergie d'excitation).
Le sujet de thèse propose donc une étude détaillée multi-paramétrique de la fission avec un focus sur la mesure des rendements de fission du système fissionnant 242Pu (n+241Pu). Enfin une grosse partie du travail consistera en l'analyse des données et de leur interprétation, puis de leur publication.

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.

Implémentation de la QRPA covariante pour décrire les noyaux atomiques déformés

Toutes choses étant égales par ailleurs, quelles différences peut-on attendre du choix d’une interaction relativiste ou non dans la description QRPA des états excités du noyau atomique ? Afin de répondre à cette question l’étudiant(e) disposera d’une part d’outils numériques permettant de résoudre pour une interaction non-relativiste les équations QRPA de façon matricielle et d’autre part d’un solveur utilisant la méthode des amplitudes finies pour produire des fonctions de réponse QRPA avec des interactions relativistes.
Ces outils numériques sont performants sur super-calculateurs et largement exploités aussi bien pour répondre à des problématiques de données nucléaires et d’astrophysique que pour mener des études de structure nucléaire académiques. L’extension relativiste du solveur QRPA matriciel permettra de transférer toute l’expertise de production des données nucléaires au cas des interactions issues de lagrangiens relativistes. Ainsi, une analyse des mérites respectifs des deux fonctionnelles pourra être menée et exploitée en vue de la mise au point d’interactions effectives de nouvelle génération.

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.

Top