L’étude des oscillations de neutrinos est entrée dans une ère de précision, portée par des expériences à longue ligne de base comme T2K, qui comparent les signaux de neutrinos dans des détecteurs proches et lointains pour sonder des paramètres clés, dont une possible violation de la symétrie charge-parité (CPV). Détecter la CPV chez les neutrinos pourrait aider à expliquer l’asymétrie matière–antimatière de l’Univers. Les résultats de T2K publiés en 2020 ont fourni de premiers indices de CPV, mais restent limités par la statistique. Pour améliorer la sensibilité, T2K a connu d’importantes mises à niveau : remplacement de la partie la plus en amont de son détecteur proche par une nouvelle cible, augmentation de la puissance de l’accélérateur (jusqu’à 800 kW en 2025, avec un objectif de 1,3 MW d’ici 2030). La prochaine génération, l’expérience Hyper-Kamiokande (Hyper-K), qui débutera en 2028, réutilisera le faisceau et le détecteur proche de T2K, mais avec un nouveau détecteur lointain 8,4 fois plus grand que Super-Kamiokande, augmentant considérablement la statistique. Le groupe IRFU a joué un rôle clé dans la mise à niveau du détecteur proche et se concentre désormais sur l’analyse des données, essentielle pour maîtriser les incertitudes systématiques, cruciales à l’ère des hautes statistiques d’Hyper-K. Le travail de thèse proposé porte sur l’analyse des nouvelles données du détecteur proche : conception de nouvelles sélections d’échantillons tenant compte des protons et neutrons de faible impulsion du neutrino, et l'amélioration des modèles d’interaction neutrino–noyau afin d’optimiser la reconstruction de l’énergie. Le second objectif est de transférer ces améliorations à Hyper-K, afin d’orienter les futures analyses d’oscillation. L’étudiant contribuera également à la construction et à la calibration d’Hyper-K (tests d’électronique au CERN, installation au Japon).

Le LHC collisionne des protons à 13.6 TeV, produisant un volume massif de données pour étudier des processus rares et rechercher de la nouvelle physique. La production d’un boson de Higgs en association avec un quark top unique (tH) dans l’état multi-leptonique (2 leptons de même signe ou 3 leptons chargés) est particulièrement prometteuse, mais complexe à analyser à cause des neutrinos non détectés et des leptons factices. Le processus tH est d’autant plus intéressant que sa très faible section efficace dans le Modèle Standard résulte d’une interférence destructive subtile entre les diagrammes faisant intervenir le couplage du Higgs au boson W et celui du Higgs au quark top. De ce fait, de petites déviations par rapport aux prédictions du Modèle Standard peuvent avoir un impact important sur son taux de production, faisant de tH une sonde sensible de nouvelle physique. La mesure de la section efficace tH reste délicate car les processus ttH et ttW ont des topologies proches et des sections efficaces beaucoup plus grandes, nécessitant une extraction simultanée pour obtenir un résultat fiable et évaluer correctement les corrélations entre signaux. ATLAS a observé un excès modéré de tH avec les données du Run 2 (2.8 s), rendant cruciale l’analyse rapide des données du Run 3 avec une prise en compte explicite de ces corrélations. La thèse exploitera des algorithmes d’intelligence artificielle basés sur des architectures transformers respectant certaines symétries fondamentales pour reconstruire la cinématique des événements et extraire des observables sensibles à la nature CP du couplage Higgs-top. Dans un second temps, une approche globale pourra traiter simultanément les processus ttW, ttZ, ttH, tH et 4 tops, à la recherche de couplages anomaux, y compris ceux violant la symétrie CP, dans le cadre de la théorie effective du Modèle Standard (SMEFT). Cette étude permettra la première mesure complète de tH dans le canal multi-lepton avec les données du Run 3 et ouvrira la voie à une analyse globale des processus rares et des couplages anomaux au LHC dans ce canal.

La thèse se concentre sur la physique du boson de Higgs à travers une de ses désintégrations les plus rares et encore non observées, celle en un boson Z et un photon (canal Zgamma). Cette désintégration complète le portrait du boson de Higgs déssiné jusqu'à présent et implique de manière unique tous les bosons neutres actuellement connus (Higgs, Z, photon), tout en étant sensible à éventuels processus de physique au délà du modèle standard. L'état final de l'analyse consiste en deux leptons de désintégration du boson Z (muons ou électrons, pour cette étude) et un photon. Évènements produits par d'autres processus du modèle standard et contenant deux leptons et un photon (ou des particules mal identifiées pour telles) constituent le bruit de fond de l'analyse. Avec toutes les données recueillies durant le Run2 du LHC (2015-2018) et le Run3 (2021-2026) il est possible de mettre en évidence cette désintégration, c'est-à-dire de l'observer avec une significance statistique de plus que trois déviations standard.

La thèse inclut aussi une partie instrumentale d'optimisation de la résolution en temps du calorimètre électromagnétique de CMS (ECAL). Bien que conçu pour des mesures de précision en énergie, le ECAL a aussi une excellente résolution sur le temps d'arrivée des photons et des électrons (environ 150 ps en collisions, 70 ps en faisceau test, avec conditions idéales). Dans un état final peuplé par des photons provenant de plusieurs dizaines d'évènements superposés (pileup), le temps d'arrivée d'un photon aide à vérifier sa compatibilité avec le vertex de désintégration du boson de Higgs. Cela sera crucial pendant la phase à haute luminosité du LHC (2029-), quand le nombre d'évenements superposé sera environ un facteur 3 plus grand qu'aujourd'hui. Une nouvelle électronique de lecture du ECAL est en train d'être produite et sera installée dans ECAL et CMS pendant la durée de la thèse. Elle permettra d'atteindre une résolution en temps de 30 ps pour photons et électrons de haute énergie. Cette performance a été mésurée en test sur faisceau d'un module du ECAL en conditions idéales (pas de champs magnétique, pas de matériel du trajectographe devant ECAL, pas de pileup): la thèse vise à dévélopper des algorithmes pour maintenir cette performance au sein de CMS.

Le travail de thèse est une continuation de l'analyse Z? en cours dans le groupe CMS du CEA Saclay et de l'analyse des performance en temps du ECAL, où le groupe de Saclay est le leader. Des outils d'analyse simples, robustes et performant, écrits en C++ moderne, basé sur le cadre d'analyse ROOT, permettent de comprendre et contribuer à toutes les étapes d'analyse, à partir de données brutes jusqu'aux résultats publiés. Le groupe CMS de Saclay a des responsabilités de premier plan dans CMS depuis sa construction, incluant une expertise approfondie en physique du Higgs, en reconstruction d'électrons et de photons, en simulation de détecteurs et en techniques d'apprentissage automatique et intelligence artificielle.

Des déplacements réguliers au CERN sont proposés pour présenter les résultas du travail de thèse à la collaboration CMS et pour participer aux tests en laboratoire prévus pour la nouvelle électronique d'ECAL, ainsi qu'à son installation.

Dans le Modèle Standard (MS), le champ de Higgs est à l’origine de la brisure de symétrie électrofaible, conférant ainsi leur masse aux bosons W et Z. La découverte du boson de Higgs en 2012 au LHC a permis de confirmer expérimentalement l’existence de ce champ. Malgré des études approfondies, l’auto-couplage du boson de Higgs reste non mesuré, bien qu’il soit essentiel pour comprendre la forme du potentiel du Higgs et la stabilité du vide de l’univers. L’étude de la production par paires de bosons de Higgs (di-Higgs) est la seule manière directe d’accéder à ce paramètre et d’obtenir des informations clés sur la transition de phase électrofaible après le Big Bang. La production de di-Higgs est extrêmement rare (section efficace ~ 40 fb pour des collisions proton-proton avec une énergie de 13,6 TeV). Parmi les états finaux possibles, le canal multilepton est prometteur grâce à sa signature cinématique distinctive, bien que complexe en raison de la diversité des topologies et des bruits de fond. Les avancées récentes en intelligence artificielle, en particulier les architectures de type transformer respectant les symétries physiques, ont amélioré de manière significative la reconstruction d’événements complexes dans des canaux tels que HH?4b ou or HH?bbtt. Appliquer ces techniques au canal multilepton offre un fort potentiel pour améliorer la sensibilité. Ce projet de thèse se concentrera sur la recherche de la production de di-Higgs dans l’état final multilepton avec l’ensemble des données du Run 3 d’ATLAS à 13,6 TeV, en s’appuyant sur les travaux en cours des équipes de l’Irfu sur le canal ttH multilepton afin de développer des méthodes avancées d’analyse et de reconstruction basées sur l’intelligence artificielle. L’objectif du projet est d’approcher la sensibilité du MS sur l’auto-couplage du boson de Higgs.

BINGO est un projet novateur en physique des neutrinos, conçu pour poser les bases d'une expérience bolométrique à grande échelle dédiée à la recherche de la désintégration double bêta sans neutrinos. L’objectif est de réaliser une expérience avec un indice de bruit de fond extrêmement bas, de l’ordre de 10^-5 coups/(keV·kg·an), tout en atteignant une très haute résolution en énergie dans la région d’intérêt. Ces performances permettront d’explorer la violation du nombre leptonique avec une sensibilité sans précédent.

Le projet repose sur la technologie des bolomètres luminescents, particulièrement efficaces pour rejeter le bruit de fond dominant, à savoir les alphas de surface. Il se concentre sur deux isotopes extrêmement prometteurs, le molybdène-100 (100Mo) et le tellure-130 (130Te), aux propriétés complémentaires, tous deux dignes d’intérêt pour les recherches futures à grande échelle.

BINGO introduira trois innovations majeures dans le domaine bien établi des bolomètres hybrides chaleur-lumière. La première consiste en une augmentation de la sensibilité des détecteurs de lumière grâce à l’amplification Neganov-Luke, permettant un gain d’un ordre de grandeur. La deuxième innovation repose sur un assemblage de détecteurs entièrement repensé, capable de réduire d’au moins un ordre de grandeur la contribution de la radioactivité de surface. Enfin, pour la première fois dans un ensemble de macrobolomètres, un écran actif interne basé sur des scintillateurs BGO ultrapurs, avec lecture bolométrique de la lumière, permettra de supprimer efficacement le bruit de fond gamma externe.

Dans le cadre de cette thèse, l’étudiant(e) participera à l’assemblage et à l’installation du démonstrateur MINI-BINGO dans le cryostat récemment mis en place au Laboratoire Souterrain de Modane. Il ou elle contribuera à la prise de données, à leur analyse et à l’estimation du niveau de rejet du bruit de fond rendu possible par les performances finales du détecteur.

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.