Étude de la fission de l’uranium-235 induite par des neutrons de 0.5 à 40 MeV à NFS-SPIRAL2 avec le spectromètre FALSTAFF et le code FIFRELIN
Le projet présenté ici a un objectif double. Il s’agira pour notre équipe de réaliser (étalonnage, montage, prise et analyse des données) une première expériénce avec le détecteur FALSTAFF dans sa configuration à deux bras de détection. Une telle géométrie permettra la mesure en coïncidence des deux fragments émis par la fission déclenché par des neutrons rapides (entre 0,5 et 40 MeV environ sur la ligne de neutrons de SPIRAL2-NFS). L’utilisation de la cinématique directe permet de contrôler évènement par évènement la réaction détectée, notamment l’énergie d’excitation du noyau qui fissionne par la détermination de l’énergie cinétique du neutron incident.
Pour cette première expérience, nous employerons une cible de 235U, dont la fission dans les réacteurs nucléaires est au coeur de leur principe de production d’énergie. Ainsi, une compréhension extrêmement détaillée de la fission de ce noyau déclenchée par les neutrons est indispensable. Cette mesure complète qui inclura non seulement l’identification des deux fragments de fission mais également la détermination de leur cinématique sera pratiquement une première scientifique dans la méthode de la cinématique directe où le faisceau de neutrons et dirigé sur la cible d’uranium. Pour permettre cette expérience, recommandée par le comité du GANIL et qui se fera en 2026, nous avons fait évoluer le spectromètre FALSTAFF améliorer ses performances de détection, notamment grâce au financement que la région Normandie nous a octroyé. Ce travail expérimental se complètera d’un travail détaillé sur un modèle théorique de la fission développé par nos collaborateurs du CEA-Cadarache auquel nos données avec FALSTAFF serviront de point de comparaison précis. Le test de ce modèle sur des données aussi complètes que celles de FALSTAFF n’a encore pas été réalisé.
Time-tagging précis et tracking des leptons dans des faisceaux de neutrinos de nouvelle génération avec des détecteurs PICOSEC-Micromegas de grande surface.
Le projet ENUBET (Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging) vise à développer un faisceau de neutrinos « monitoré » dont le flux et la composition en saveurs sont connus avec une précision au pourcent près, afin de permettre des mesures de sections efficaces de neutrinos d’une précision inédite. Pour cela, le tunnel de désintégration est instrumenté pour détecter et identifier les leptons chargés issus des désintégrations de kaons.
Le Micromegas PICOSEC est un détecteur gazeux à microstructures rapide et à double étage d’amplification, combinant un radiateur Tcherenkov, une photocathode et une structure Micromegas. Contrairement aux Micromegas classiques, l’amplification s’y produit également dans la région de dérive, où le champ électrique est plus intense que dans la région d’amplification principale. Cette configuration permet d’atteindre des résolutions temporelles exceptionnelles, de l’ordre de 12 ps pour les muons et d’environ 45 ps pour les photoélectrons uniques, faisant du PICOSEC l’un des détecteurs gazeux les plus rapides jamais réalisés.
L’intégration de modules Micromegas PICOSEC de grande surface dans le tunnel de désintégration d’ENUBET permettrait un horodatage des leptons avec une précision inférieure à 100 ps, améliorant l’identification des particules, réduisant le pile-up, et facilitant la corrélation entre les leptons détectés et leurs kaons parents — une étape clé vers des faisceaux de neutrinos à flux contrôlé avec précision.
Dans le cadre de cette thèse, le candidat ou la candidate participera à l’optimisation et à la caractérisation de prototypes Micromegas PICOSEC de 10 × 10 cm², ainsi qu’à la conception et au développement de détecteurs de plus grande surface pour l’expérience nuSCOPE et l’instrumentation du hadron dump d’ENUBET.
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.
Méthodes pour la détection rapide d’évènements gravitationnels à partir des données LISA
La thèse porte sur le développement de méthodes d’analyse rapide pour la détection et la caractérisation des ondes gravitationnelles, en particulier dans le cadre de la future mission spatiale LISA (Laser Interferometer Space Antenna) prévue par l’ESA vers 2035.L’analyse des données fait intervenir différentes étapes dont l’une des premières est le « pipeline » d’analyse rapide, dont le rôle est la détection de nouveaux évènements, ainsi que la caractérisation d’évènements. Le dernier point a trait à l’estimation rapide de la position dans le ciel de la source d’émission d’ondes gravitationnelles, et de leur temps caractéristique tel que le temps de coalescence pour une fusion de trous noirs par exemple. Ces outils d'analyse forment le pipeline d'analyse à faible latence (low-latency pipeline). Au-delà de l’intérêt pour LISA, celui-ci joue également un rôle primordial pour le suivi rapide des évènements détectés par des observations électromagnétiques (observatoires au sol ou spatiaux, des ondes radio aux rayons gamma). Si des méthodes d’analyse rapides ont été développées pour les interféromètres au sol, le cas des interféromètres spatiaux tels que LISA reste un champ à explorer. Ainsi, un traitement adapté des données devra prendre en compte le mode de transmission des données par paquet, nécessitant ainsi la détection d’évènements à partir de données incomplètes. À partir de données entachées d’artefacts tels que des glitches, ces méthodes devront permettre la détection, la discrimination et l’analyse de sources diverses
Dans cette thèse, nous proposons de développer une méthode robuste et performante pour la détection précoce de binaires de trous noirs massifs (MBHBs). Cette méthode devra permettre la prise en compte du flux de données tel qu’attendu dans le cadre de LISA, traité de potentiels artefacts (e.g. bruit non-stationnaire et glitches). Elle permettra la production d’alarmes, incluant un indice de confiance de la détection ainsi qu’une première estimation des paramètres de la source (temps de coalescence, position dans le ciel et masse de la binaire) ; une première estimation rapide est essentielle pour initialiser au mieux une estimation plus précise mais plus couteuse de l’estimation de paramètres.
Sur le lien universel accrétion / éjection : des microquasars aux transitoires extragalactiques
Ce projet de thèse étudie le couplage universel entre l'accrétion et l'éjection, processus fondamentaux par lesquels les trous noirs et les étoiles à neutrons grandissent et libèrent de l'énergie. En utilisant les microquasars comme laboratoires proches, le candidat étudiera comment les variations des flux d'accrétion produisent des jets relativistes, et comment ces mécanismes s'appliquent à l'échelle des trous noirs supermassifs dans les événements de disruption par marée (TDE).
Le couplage accrétion-éjection entraîne des rétroactions d'énergie qui façonne la formation et l'évolution des galaxies, mais son origine physique reste mal comprise. Le candidat combinera des observations multi-longueurs d'onde - provenant du SVOM (rayons X/optique) et de nouveaux télescopes radio (MeerKAT, précurseurs du SKA) - pour effectuer des analyses résolues en temps reliant les états d'accrétion à l'émission de jets. De récentes missions telles que Einstein Probe et l'observatoire Vera Rubin (LSST) élargiront considérablement l'échantillon de transitoires, y compris les TDE à jets, permettant de nouveaux tests de la physique du lancement des jets à travers les échelles de masse et de temps.
Au sein de l'équipe CEA/IRFU, un partenaire majeur de SVOM, l'étudiant participera à la détection en temps réel des transitoires et au suivi multi-longueurs d'onde, tout en exploitant les données d'archives pour fournir un contexte à long terme. Ce projet permettra au candidat de se former à l'astrophysique des hautes énergies, à la radioastronomie et à la découverte basée sur les données, contribuant ainsi à une compréhension unifiée de l'accrétion, de la formation des jets et de la rétroaction cosmique.
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.