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.
Surveillance du risque de criticité par bruit neutronique dans les milieux nucléaires dégradés
Notre équipe au CEA/Irfu étudie avec l’ASNR la possibilité d’utiliser la mesure du bruit neutronique, c’est-à-dire les variations stochastiques du flux de neutrons, pour estimer la réactivité des systèmes nucléaires sous critiques. L’objectif est de proposer cette technique pour mesurer en ligne la réactivité du corium de Fukushima Daiichi lors des futures opérations de démantèlement. Le travail de la thèse portera sur l’évaluation d’une solution basée sur des détecteurs de neutrons développés par l’IRFU, de type Micromegas (les détecteurs nBLM), adaptés aux radiations gamma extrêmes attendues à proximité du corium de Fukushima Daiichi. L’étudiant(e) participera à des expériences sur des installations nucléaires de recherche en Europe et aux Etats-Unis pour tester cette solution technique et mesurer le bruit neutronique pour une large gamme de réactivités. Il/elle sera en charge de l’analyse des données et de l’évaluation des différentes méthodes d’inversion permettant d’estimer la réactivité à partir des mesures du bruit neutronique.
Mesure des excitations dipolaires de basse énergie par diffusion inélastique de neutrons
La résonance dipolaire pygmée est un mode de vibration observé dans les noyaux riches en neutrons et qui a initialement été décrit comme l'oscillation d'une peau de neutrons contre un cœur symétrique en termes de nombre de protons et de neutrons. Mais des études expérimentales ont révélé une structure plus complexe. Il y a quelques années, nous avons proposé de tirer parti du flux de neutrons à haute intensité de SPIRAL2-NFS pour étudier la résonance pygmée avec une approche originale : la diffusion inélastique de neutrons. Suite au succès de la première expérience menée en 2022, nous proposons de poursuivre notre programme dans une nouvelle région de la carte des noyaux. L'objectif de la thèse est d'étudier la résonance dipolaire pygmée dans le 88Sr par diffusion inélastique de neutrons. La thèse consistera en : i) la participation à l'expérience, ii) l'analyse des données, et iii) l'interprétation des résultats en collaboration avec des théoriciens.
Exploitation des données LEP pour la fragmentation : Une analyse orientée TMD des paires pi+pi- dans les collisions e+e-
La mesure des hadrons produits dans les collisions révèle le mécanisme de fragmentation, où les quarks et les gluons forment des hadrons détectables. Les Fonctions de Fragmentation (FF) décrivent la probabilité de ce processus, mais elles ne sont pas calculables théoriquement. Elles doivent donc être extraites expérimentalement en ajustant des modèles aux données.
Les FF dépendantes du moment transverse (TMDFF) décrivent plus précisément l'impulsion transverse des hadrons produits. Pour les mesurer, une réaction idéale est la production de paires de pions de charges opposées (pi+pi-) dans les collisions électron-positron (e+e-). Étonnamment, aucune mesure de ce type n'a encore été réalisée, ni par les anciennes expériences comme LEP, ni par les actuelles comme Belle.
Ce projet propose d'exploiter l'initiative OpenData du CERN pour analyser les données archivées de l'expérience LEP (DELPHI ou ALEPH). L'objectif est d'y mesurer le taux de production des paires pi+pi- en fonction de leur moment transverse.
La première étape consiste à maîtriser l'accès à ces données historiques et leurs logiciels parfois obsolètes. Ensuite, il faudra extraire les distributions physiques clés, comme les distributions angulaires. La troisième étape est de simuler ces mêmes collisions avec un générateur comme Pythia pour comparer et interpréter les données. L'analyse identifiera ensuite les observables les plus sensibles aux TMDFF via des simulations.
Le résultat sera intégré à une analyse globale de données, devenant la première à inclure des données e+e-, pour une extraction bien plus précise des TMDFF. Cela permettra de repousser les frontières de notre connaissance des mécanismes non-perturbatifs de la fragmentation des partons.
Développement du détecteur Micromegas CyMBaL et étude de la saturation des gluons pour le futur Electron-Ion Collider
Le futur collisionneur Electron-Ion (EIC), qui sera construit au Brookhaven National Laboratory (NY, USA), est une installation de nouvelle génération conçue pour explorer la structure interne des protons et des noyaux avec une précision sans précédent. Il explorera comment les quarks et les gluons génèrent la masse, le spin et la structure de la matière visible, et étudiera l’augmentation de la densité de gluons à faible Bjorken-x. Pour atteindre ces ambitieux objectifs scientifiques, des détecteurs innovants sont en cours de développement, notamment le système Micromegas CyMBaL, un traceur gazeux destiné à la région centrale du premier appareil expérimental EIC, ePIC.
Ce projet de thèse combine une R&D expérimentale sur les détecteurs gazeux et des simulations physiques en couvrant les points suivants :
* Caractérisation des prototypes : construction et tests des détecteurs Micromegas à grande échelle ; mesure de l’efficacité, l’uniformité du gain et la résolution spatiale en laboratoire et en faisceau. Tests et validation des prototypes avec le nouvel ASIC SALSA, développé au CEA pour les détecteurs gazeux de l’expérience ePIC.
* Simulations du détecteur : intégrer la géométrie CyMBaL dans le framework de l’EIC et évaluer l’efficacité globale de trajectographie afin de s'assurer que les exigences de performances du détecteur sont respectées.
* Simulations de physiques : simuler des processus clés sensibles à la saturation des gluons (par ex. corrélations di-hadrons dans l’état final) afin de mieux comprendre la QCD à faible-x et d’évaluer l’impact des performances du détecteur sur la sensibilité de ces observables.
Le doctorant aura l’opportunité de participer au développement de détecteurs gazeux de pointe et de travailler au sein d’une communauté internationale de physiciens hadroniques sur des sujets à la frontière du domaine, avec des déplacements au Brookhaven National Laboratory (NY, USA) et des campagnes de tests en faisceau auprès d'accélérateurs.
RECHERCHE DE LA DÉSINTÉGRATION NUCLÉAIRE EN DEUX PHOTONS
La désintégration nucléaire à deux photons, ou double-gamma, est un mode de désintégration très rare dans les noyaux atomiques, par lequel un noyau dans un état excité émet deux rayons gamma simultanément. Ce processus électromagnétique de deuxième ordre, bien connu en physique atomique, n'a été que peu étudié pour le noyau atomique en raison des effets de premier ordre largement prédominants. Les noyaux pairs avec un premier état excité 0+ sont des cas favorables à la recherche d'une branche de désintégration double-gamma, puisque l'émission d'un seul rayon gamma est strictement interdite pour les transitions 0+ to 0+ en raison de la conservation du moment angulaire. La désintégration double-gamma reste encore une branche de désintégration très petite (<1E-4) en compétition avec les modes de désintégration dominants (de premier ordre) des électrons de conversion interne atomique (ICE) ou de la création de paires internes positron-électron (e+-e-) (IPC).
Le projet de thèse comporte deux parties expérimentales distinctes: Premièrement, nous stockons des ions nus (entièrement épluchés) dans leur état excité 0+ dans l'anneau de stockage d'ions lourds (ESR) au GSI pour rechercher la désintégration double-gamma dans plusieurs nucléides. Pour les atomes neutres, l'état excité 0+ est un état isomérique à durée de vie plutôt courte, de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de nanosecondes. Cependant, aux énergies relativistes disponibles au GSI, tous les ions sont entièrement épluchés de leurs électrons atomiques et la désintégration par émission ICE n'est donc pas possible. Si l'état d'intérêt est situé en dessous du seuil de création de paires, le processus IPC n'est pas non plus possible. Par conséquent, les noyaux nus sont piégés dans un état isomérique à longue durée de vie, qui ne peut se désintégrer que par émission double-gamma vers l'état fondamental. La désintégration des isomères est identifiée par la spectroscopie de masse Schottky résolue dans le temps. Cette méthode permet de distinguer l'isomère et l'état fondamental par leur temps de révolution (très légèrement) différent dans l'ESR, et d'observer la disparition du pic de l'isomère dans le spectre de masse avec un temps de décroissance caractéristique. Des expériences établissant la désintégration double-gamma dans plusieurs nucléides (72Ge, 98Mo, 98Zr) ont déjà été réalisées avec succès et une nouvelle expérience sur le nucleide 194Pb a été acceptée par le comité de programme du GSI et sa réalisation est planifie en 2027.
La deuxième partie concerne l'observation directe des photons émis à l'aide de la spectroscopie des rayons gamma. Alors que les expériences sur les anneaux de stockage permettent de mesurer la durée de vie partielle de la double désintégration gamma, des informations supplémentaires sur les propriétés nucléaires ne peuvent être obtenues qu'en mesurant les photons eux-mêmes. Une expérience test a été réalisée pour étudier sa faisabilité et les plans d'une étude plus détaillée devraient être élaborés dans le cadre du projet de doctorat.
Apport de l'intelligence artificielle à l'étude de la fission
La fission nucléaire est un processus extrême au cours duquel un noyau lourd se déforme jusqu'à atteindre un point de non retour conduisant à sa séparation en deux fragments. Le processus s'accompagne d'un relâchement important d'énergie, principalement sous forme d'énergie cinétique des fragments nouvellement formés, mais aussi d'énergie d'excitation (typiquement une quinzaine de MeV par fragment). Par ailleurs, les fragments sont aussi produits avec un moment angulaire élevé. C'est par le biais de l'émission de neutrons et de photons que les fragments de fission évacuent leur énergie d'excitation et moment angulaire. L'expérience ultime en fission consisterait à identifier en masse et charge chaque fragment; mesurer leur énergie cinétique; et caractériser en énergie et multiplicité les neutrons et photons qu'ils émettent. Ce jeu de données permettrait en effet d'accéder à l'énergétique globale du processus de fission et à caractériser complètement la désexcitation des fragments. De part la complexité importante d'une telle mesure exclusive, ce jeu de données est toujours manquant.
Notre équipe s'oriente vers de telles mesures et ce travail de thèse vise à explorer les bénéfices que peuvent apporter les techniques de machine learning dans cette optique.
La thèse consistera à tirer partie de l'ensemble des données multi-corrélées accessibles expérimentalement afin d'alimenter des algorithmes de machine learning dont le but sera d'identifier les fragments de fission et de déterminer leurs propriétés.
Les techniques développées seront appliquées à un premier jeu de données utilisant une double chambre d'ionisation pour la détection des fragments de fission couplée à un ensemble de détecteur neutrons. Les données seront acquises en début de doctorat.
Dans un second temps, une étude plus exploratoire consistera à appliquer les mêmes techniques à des données obtenues durant le doctorat en utilisant une chambre à projection temporelle comme détecteur de fragments de fission. Il s'agira de démontrer que la résolution en énergie cinétique obtenue est compatibles avec l'étude de la fission.
Exoplanetes : l'apport des courbes de phase observées avec le JWST
Le télescope spatial James Webb (JWST), lancé par la NASA le 25 décembre 2021, révolutionne notre compréhension du cosmos, en particulier dans le domaine des exoplanètes. Avec plus de 6 000 exoplanètes détectées, on découvre des mondes très variés, dont certains sans équivalent dans notre Système solaire, comme les « hot Jupiters » ou les « super-Terres ». JWST permet désormais la caractérisation détaillée des atmosphères exoplanétaires grâce à ses instruments spectroscopiques couvrant de 0,6 à 27 µm et sa grande surface collectrice de lumière (25 m²). Cette capacité permet de déterminer la composition moléculaire, la présence de nuages ou d’aérosols, le profil pression–température et les processus physiques et chimiques à l'œuvre dans ces atmosphères.
La méthode principale utilisée est celle dite des transits, observant les variations de luminosité lors du passage de la planète devant son étoile ou derrière elle (éclipse secondaire). Néanmoins, l’observation sur toute la période orbitale (phase curve)—qui contient aussi un transit et deux éclipses—fournit encore plus d’informations. Avec les courbes de phase, le budget énergétique, la structure longitudinale, et la circulation atmosphérique peuvent être directement observés. JWST a déjà obtenu des données en courbes de phase d’une qualité exceptionnelle. Beaucoup de ces ensembles de données sont désormais accessibles au public et contiennent une mine d’informations, mais ils ne sont que partiellement exploités. La durée de ces observations, la finesse des signaux très faibles (quelques dizaines de ppm), et la présence d’effets instrumentaux plus subtiles rendent l’exploitation de ces données plus complexe.
La thèse proposée se concentrera d’abord sur l’étude et la correction de ces effets instrumentaux, puis sur l’extraction des propriétés atmosphériques avec le logiciel TauREx (https://taurex.space/), sous la co-supervision de Quentin Changeat (Université de Groningen) et Pierre-Olivier Langage (CEA Paris-Saclay). Cette thèse participera à la préparation de l’exploitation scientifique de la mission ESA Ariel (lancement prévu en 2031), entièrement dédiée à l’étude des atmosphères exoplanétaires et qui pourrait observer près de 50 courbes de phase.
Etude des noyaux lourds : de la mesure de masse à la spectroscopie des américium et mise en service du double piège de Penning PIPERADE
Le noyau atomique est un objet complexe dont l’étude reste particulièrement active plus d’un siècle après la découverte de son existence. Parmi les nombreuses questions encore ouvertes, celle des limites d’existence du noyau demeure centrale : quels sont les nombres de protons et de neutrons permettant la formation d’un noyau lié ? Cette question peut être abordée à l’aide de mesures de masses permettant d’accéder à l’énergie de liaison du noyau, une de ses propriétés les plus fondamentales. L’objectif de cette thèse est, d’une part, de réaliser une mesure de masse de haute précision des isotopes 234-238Am (Z = 95) à l’Université de Jyväsklyä, en Finlande (expérience prévue en 2026), et d’autre part de participer à l’installation et à la mise en service du double piège de Penning PIPERADE (PIèges de PEnning pour les RAdionucléides à DESIR) au GANIL à Caen. Les noyaux d’américium qui seront étudiés lors de cette thèse sont à la frontière entre deux régions présentant un intérêt particulier : la région de déformation octupolaire (noyaux en forme de poire) et la région des isomères de fission (états méta-stables du noyaux se désintégrant par fission), et la mesure de leur masse permettra de mieux comprendre les propriétés de ces noyaux exotiques. PIPERADE, quant à lui, est un dispositif permettant de réaliser des mesures de masses de haute précision. Aujourd’hui en phase de caractérisation à Bordeaux, son installation à GANIL (prévue en 2027) permettra d’étudier une large gamme de noyaux exotiques via la mesure de leur masse, mais aussi en utilisant des techniques de séparation permettant de purifier les faisceaux radioactifs avant de les envoyer à d’autres dispositifs expérimentaux.
Magnéto-convection des étoiles de type solaire: émergence du flux et origine des taches stellaires
Le Soleil et les étoiles de type solaire possèdent un magnétisme riche et variable. Nous avons pu mettre en évidence dans nos travaux récents sur les dynamos turbulentes convectives de ce type d' étoiles, une histoire magnéto-rotationelle de leur évolution séculaire. Les étoiles naissent active avec des cycles magnétiques courts, puis en décélérant par le freinage du à leur vent de particules magnétisé, leur cycle magnétique s'allonge pour devenir commensurable à celui du Soleil (d'une durée de 11 ans) et enfin pour les étoiles vivant suffisamment longtemps finir avec une perte de cycle et une rotation dite anti-solaire (équateur lent/poles rapides). L'accord avec les observations est excellent mais il nous manque un élément essentiel pour conclure: Quel role jouent les taches solaires/stellaires dans l'organisation du magnétisme de ces étoiles et sont-elles nécessaires à l'apparition d'un cycle magnétique, ce qui s'appelle "le paradox des dynamos cycliques sans tache". En effet, nos simulations HPC de dynamo solaire n'ont pas la résolution angulaire pour résoudre les taches et pourtant nous observons bien des cycles dans nos simulation de dynamos stellaires pour des nombres de Rossby < 1. Dès lors les taches sont-elle une simple manifestations de surface d'une auto-organisation interne du magnétisme cyclique de ces étoiles, ou jouent-elle un rôle déterminant. De plus, comment l'émergence de flux en latitude et la taille et intensité des taches se formant à la surface évoluent ils au cours de l'évolution magnéto-rotationelle de ces étoiles? Pour répondre à cette question essentielle en magnétisme des étoiles et du Soleil, il faut développer de nouvelles simulations HPC de dynamo stellaire en soutien aux missions spatiales Solar Orbiter et PLATO pour lesquelles nous sommes directement impliqués, permettant de s'approcher plus près de la surface et ainsi de mieux décrire le processus d'émergence de flux magnétique et la possible formation de taches solaires. Des tests récents montrant que des concentrations magnétiques inhibant la convection de surface localement se forment ab-initio dans des simulations avec un nombre de Reynolds magnétique plus grand et une convection de surface plus petites échelles nous encourage fortement à poursuivre ce projet au delà de l'ERC Whole Sun (finissant en Avril 2026). Grace au code Dyablo-Whole Sun que nous co-développons avec le IRFU/Dedip, nous désirons étudier en détails la dynamo convective, l'émergence de flux magnétique et la formation auto-cohérente de taches résolues, en utilisant sa capacité de raffinement de maillage adaptative et en variant les paramètres globaux stellaire comme le taux de rotation, l'épaisseur de la zone convective, et l'intensité de la convection de surface, afin de déterminer comment leur nombre, morphologie et latitude d'émergence changent et s'ils contribuent ou non à la fermeture de la boucle dynamo cyclique.