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.

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.

ETUDE DES PROPRIETES COLLECTIVES NUCLEAIRES DU 232Th AVEC LE SPECTROMETRE AGATA

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.

Méthode de réduction de dimensionalité appliquée à la théorie ab initio à N corps "coupled cluster" déformée

La description théorique des premiers principes, i.e. de manière dite ab initio, des noyaux atomiques contenant plus de 12 nucléons n’est devenue possible que récemment grâce aux développements cruciaux de la théorie à N corps et à la disponibilité d’ordinateurs hautes performances de plus en plus puissants. Ces techniques ab initio sont appliquées avec succès pour étudier la structure des noyaux, en partant des isotopes les plus légers et pour atteindre aujourd’hui tous les noyaux de masse moyenne contenant jusqu’à environ 80 nucléons. L’extension à des systèmes encore plus lourds nécessite des avancées décisives du point de vue du cout de stockage et du temps de calcul induits par les méthodes à N corps disponibles. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est de développer la méthode de réduction de dimensionalité fondée sur la factorisation des tenseurs mis en jeu dans le cadre de la théorie à N corps non perturbative dite de coupled cluster déformée (dCC). Le travail proposé exploitera les dernières avancées en théorie nucléaire, y compris l’utilisation des potentiels nucléaires issus de la théorie effective des champs chirale et des techniques du groupe de renormalisation, ainsi que des ressources et des codes de calcul haute performance.

Cacracterisation et calibration de détecteurs cryogéniques à l'échelle de 100 eV pour la détection de la diffusion cohérente des neutrinos (CEvNS)

DESCRIPTIONS:

L’expérience NUCLEUS [1] cherche à détecter les neutrinos de réacteur via la diffusion élastique cohérente neutrino-noyau (CEvNS). Prédit en 1974 et mis en évidence pour la première fois en 2017, ce processus donne accès à des tests inédits du modèle standard à basse énergie. La cohérence de la diffusion sur l’ensemble du noyau augmente de plusieurs ordres de grandeurs sa section efficace ce qui en fait également une opportunité pour la surveillance des réacteurs par les neutrinos. Le dispositif expérimental de NUCLEUS est en cours d’installation auprès des réacteurs EDF de Chooz (Ardennes, France) qui sont une source intense de neutrinos. Le seul signal physique d’un événement CEvNS est l’infime recul du noyau cible, avec une énergie très faible, inférieure à 1 keV. Pour le détecter NUCLEUS utilise des cristaux de CaWO4 d’environ 1 g, placés dans un cryostat qui les refroidis à une température de 15 mK. Le recul du noyau provoque des vibrations du réseau cristallin équivalentes à une élévation de la température de ~100 µK, mesurée à l’aide d’un capteur Transition Edge Sensor (TES) déposé sur le cristal. Ces détecteurs permettent d’atteindre d’excellentes résolutions en énergie de seulement quelques ~eV et des seuils de détection de l’ordre de ~10 eV [2]. Le dispositif expérimental de NUCLEUS a été testé et validé en 2024 à TU-Munich [3] et la prisse de données à Chooz commencera à l’été 2026, en même temps que la thèse. Une première contribution portera sur l’acquisition des données sur site réacteur et leur analyse. Plus spécifiquement, l’étudiant(e) sera en charge de la caractérisation des détecteurs cryogéniques en CaWO4 déployés : stabilité, résolution en énergie, calibration et bruit de fond intrinsèque au cristal.

La question de la calibration à l’échelle sub-keV est un point crucial des expériences de CEvNS (et de matière noire). Or jusqu’à présent il était très difficile de générer des reculs nucléaires d’énergie connue pour caractériser la réponse des détecteurs. La méthode CRAB [4,5] répond à ce besoin en utilisant la réaction de capture de neutrons thermiques (énergie de 25 meV) sur les noyaux constituant le détecteur cryogénique. Le noyau composé résultant a une énergie d’excitation bien connue, l’énergie de séparation d’un neutron, comprise entre 5 et 8 MeV selon les isotopes. Dans le cas où il se désexcite en émettant un seul photon gamma, le noyau va reculer avec une énergie qui est aussi parfaitement connue car donnée par la cinématique à deux corps. Un pic de calibration, dans la gamme recherchée de quelques 100 eV, apparaît alors dans le spectre en énergie du détecteur cryogénique. Une première mesure réalisée, en 2022, avec un détecteur en CaWO4 de l’expérience NUCLEUS et une source de neutrons commerciale (252Cf) a permis de valider la méthode [6].

La deuxième partie de la thèse s’inscrit dans la phase « haute précision » de ce projet qui consiste à réaliser des mesures avec un faisceau pur de neutrons thermiques du réacteur TRIGA-Mark-II à Vienne (TU-Wien, Autriche). Le dispositif expérimental de calibration a été installé et caractérisé avec succès en 2025 [7]. Il consiste en un cryostat contenant les détecteurs cryogéniques à caractériser, entouré de larges cristaux de BaF2 pour une détection en coïncidence du recul nucléaire et du rayon gamma qui a induit ce recul. L’ensemble est placé directement sur l’axe du faisceau qui fournit un flux d’environ 450 n/cm2/s. Cette méthode de coïncidence réduira significativement le bruit de fond et permettra d’étendre la méthode CRAB à un plus large domaine d’énergie et aux matériaux constitutifs de la plupart des détecteurs cryogéniques. Nous attendons de ces mesures une caractérisation unique de la réponse des détecteurs cryogéniques, dans un domaine d’intérêt pour la recherche de la matière noire légère et la diffusion cohérente de neutrinos. En parallèle de la mesure de reculs nucléaires, l’installation d’une source de rayons X de basse énergie dans le cryostat permettra de générer des reculs électroniques ce qui mènera à la comparaison directe de la réponse du détecteur à des dépôts d’énergie sous le keV produits par des reculs nucléaires et d’électrons.

L’arrivée en thèse de l’étudiant(e) coïncidera avec la finalisation du programme de mesure sur les détecteurs en CaWO4 et Al2O3 de NUCLEUS et avec le début du programme de mesures sur le Ge (détecteur du projet TESSERACT) ainsi que sur le Si (détecteur du projet BULLKID).
La haute précision permettra également l’ouverture d’une fenêtre de sensibilité à des effets fins couplant de la physique nucléaire (temps de désexcitation du noyau) et de la physique du solide (temps de recul du noyau dans la matière, création de défauts cristallins lors du recul d’un noyau) [8].

L’étudiant(e) sera fortement impliqué dans tous les aspects de l’expérience : la simulation, l’analyse et l’interprétation des résultats obtenus.

ETAPES DU TRAVAIL:

L’étudiant(e) participera activement aux prises de données et à l’analyse des premiers résultats des détecteurs cryogéniques en CaWO4 de NUCLEUS à Chooz. Ce travail sera réalisé en collaboration avec les groupes des départements de physique nucléaire (DPhN), de physique des particules (DPhP) du CEA-Saclay et avec l’équipe de TU-Munich. Il commencera par une prise en main du code d’analyse CAIT pour les détecteurs cryogéniques. L’étudiant(e) étudiera plus spécifiquement les aspects de calibration via la réponse des détecteurs aux reculs électroniques issus de pulses de photons optiques injectés par fibres et de rayons X de fluorescence induits par les rayons cosmiques. Une fois cette calibration établie deux types de bruit de fond seront étudiés : les reculs nucléaires induits dans la gamme du keV par les neutrons rapides cosmogéniques et un bruit fond à basse énergie, appelé Low Energy Excess (LEE), intrinsèque au détecteur. La comparaison en les spectres expérimentaux et simulés du bruit de fond de neutrons rapides sera discutée à la lumière des différences entre réponses nucléaires et électroniques mesurées dans le projet CRAB. Les longues périodes de prises de données sur le site de Chooz seront mises à profit pour étudier l’évolution temporelle du bruit LEE. Ce travail se fera dans le cadre d’une collaboration en cours avec des spécialistes de la physique des matériaux de l'Institut des Sciences Appliquées et de la Simulation (CEA/ISAS) pour comprendre l’origine du LEE, qui reste une question ouverte majeure dans la communauté des détecteurs cryogéniques.

Les compétences d’analyse acquises sur NUCLEUS seront ensuite mises à profit pour les campagnes de mesures CRAB de haute précision prévues en 2027 auprès du réacteur TRIGA (TU-Wien) avec des détecteurs en Ge et Si.L’étudiant(e) sera fortement impliqué(e) dans la mise en place de l’expérience, dans la prise de données et l’analyse des résultats. Ces mesures prévues sur le Ge dans les canaux phonon et ionisation, ont le potentiel de lever l’ambiguïté actuelle sur le rendement d’ionisation des reculs nucléaires à basse énergie, qui sera un facteur déterminant de la sensibilité des expériences.

La haute précision de la calibration sera également exploitée pour étudier des effets fins de physique nucléaire et du solide (effets de timing et de création de défauts cristallins par le recul du noyau dans le détecteur). Cette étude sera réalisée en synergie avec les équipes de l’IRESNE et de l’ISAS au CEA qui nous fournissent des simulations détaillées des cascades gamma de désexcitation nucléaire et des simulations de dynamique moléculaire pour le recul des noyaux dans la matière.

A travers ce travail l’étudiant(e) aura une formation complète de physicien(ne) expérimentateur(trice) avec de fortes composantes de simulation et d’analyse de données, mais aussi un apprentissage des techniques de cryogénie dans le cadre de la mise en service des détecteurs de NUCLEUS et CRAB. Les contributions proposées mèneront à plusieurs publications durant la thèse avec une forte visibilité dans les communautés de la diffusion cohérente de neutrino et de la recherche de matière noire.

Au sein du CEA il (elle) bénéficiera du caractère exceptionnellement transverse de ce projet qui met déjà en interaction régulière les communautés de physique nucléaire, physique des particules et physique de la matière condensée.

COLLABORATIONS:

NUCLEUS: Allemagne (TU-Munich, MPP), Autriche (HEPHY, TU-Wien), Italie (INFN), France (CEA-Saclay).
CRAB: Allemagne (TU-Munich, MPP), Autriche (HEPHY, TU-Wien), Italie (INFN), France (CEA-Saclay, CNRS-IJCLab, CNRS-IP2I, CNRS-LPSC).

REFERENCES:

[1] NUCLEUS Collaboration, Exploring CE?NS with NUCLEUS at the Chooz nuclear power plant, The European Physical Journal C 79 (2019) 1018.
15, 48, 160, 174
[2] R. Strauss et al., Gram-scale cryogenic calorimeters for rare-event searches, Phys. Rev. D 96 (2017) 022009. 16, 18, 78, 174
[3] H. Abele et al., Particle background characterization and prediction for the NUCLEUS reactor CE?NS experiment, https://arxiv.org/abs/2509.03559
[4] L. Thulliez, D. Lhuillier et al. Calibration of nuclear recoils at the 100 eV scale using neutron capture, JINST 16 (2021) 07, P07032
(https://arxiv.org/abs/2011.13803)
[5]https://irfu.cea.fr/dphp/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?id_ast=4970
[6] H. Abele et al., Observation of a nuclear recoil peak at the 100 eV scale induced by neutron capture, Phys. Rev. Lett. 130, 211802 (2023) (https://arxiv.org/abs/2211.03631)
[7] H.Abele et al., The CRAB facility at the TUWien TRIGA reactor: status and related physics program, (https://arxiv.org/abs/2505.15227)
[8] G. Soum-Sidikov et al., Study of collision and ?-cascade times following neutron-capture processes in cryogenic detectors Phys. Rev. D
108, 072009 (2023) (https://arxiv.org/abs/2305.10139)