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.

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.

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.

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.

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.

L'étude des noyaux atomiques dits « déformés » avec une distribution de charge non sphérique est essentielle pour tester les interactions nucléaires et les modèles de structure. Ces noyaux déformés présentent un schéma très particulier d'états excités, connus sous le nom de « bandes rotationnelles ». Ces bandes peuvent être construites sur des états avec une déformation différente ou une structure intrinsèque différente (coexistence de formes). Le sujet de la thèse porte sur l'étude expérimentale des propriétés macroscopiques et microscopiques du noyau du 232Th. Ce noyau présente une grande variété de bandes rotationnelles qui seraient dues aux vibrations de la surface nucléaire dit quadripolaire (oscillations entre les formes allongées et aplaties) et octupolaire (oscillations entre la forme sphérique et la forme de poire). Ces derniers ont notamment suscité beaucoup d'intérêt récemment, car les noyaux déformés octupolaires peuvent être utilisés pour déterminer le moment dipolaire électrique des noyaux, une question fondamentale en physique en général. Dans notre cas particulier il s'agit de caractériser pour la premier fois sur tous les noyaux le quadruplet des bandes octupolaires attendue dans un noyau fortement déformé. Par ailleurs, ce noyau est aussi le seul example qui montre une bande rotationnel bâti sur une double-vibration quadripolaire.

Nous étudierons ces formes variées en utilisant la puissante technique d'excitation coulombienne, qui est la méthode la plus directe pour déterminer la forme des noyaux dans leurs états excités. L'expérience sera réalisée à l'aide d'AGATA, un spectromètre gamma de nouvelle génération, constitué d'un grand nombre de cristaux de germanium finement segmentés, qui permet d'identifier chaque point d'interaction d'un rayon gamma a l’intérieur du détecteur puis, à l'aide du concept innovant du «gamma-ray tracking », permet de reconstruire les énergies de tous les rayons gamma émis et leurs angles d'émission avec une précision sans précédent. Une experience complémentaire sera réalisé au laboratoire d'ions lourds (HIL) Varsovie ce qui permettra de mieux interpréter les données très complexe fourni par AGATA.