Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Le boson de Higgs, découvert en 2012 au LHC, est à l’origine de la brisure de symétrie électrofaible au sein du Modèle Standard (MS). Malgré des études approfondies de ses propriétés, lauto-couplage du boson de Higgs reste inexploré. Ce paramètre est essentiel pour déterminer le potentiel de Higgs et la stabilité du vide de lunivers. L’étude de la production par paires de boson de Higgs est la seule méthode directe pour mesurer cet auto-couplage, et ainsi fournir des informations cruciales sur la structure fondamentale de lunivers et la nature de la transition de phase électrofaible après le Big Bang. La production de di-Higgs a une section efficace très faible dans le MS. Parmi les canaux de détection possibles, létat final avec plusieurs leptons est prometteur en raison de sa signature cinématique unique. Cependant ce canal est complexe à analyser en raison de la nécessité dune identification précise des leptons et de techniques avancées de séparation de signal utilisant l’apprentissage automatique. Ce projet de thèse consiste à rechercher la production de di-Higgs dans le canal multilepton avec les données de l’expérience ATLAS à 13.6 TeV, profitant du grand lot de données enregistrées et de l’augmentation en énergie du Run 3 du LHC, avec pour objectif d’atteindre la sensibilité du MS.

Lastronomie gamma de très haute énergie observe le ciel au-dessus de quelques dizaines de GeV. Ce domaine émergent de l’astronomie est en plein essor depuis le début des années 1990, en particulier, depuis la mise en service en 2004 du réseau de télescopes H.E.S.S. en Namibie. LIRFU/CEA-Paris Saclay est un membre particulièrement actif de cette collaboration depuis ses débuts. Il est également impliqué dans la préparation du futur observatoire CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory) qui est actuellement en phase d’installation. La détection des photons gamma dénergie supérieure à quelques dizaines de GeV permet détudier les processus d’accélération des particules chargées au sein d’objets aussi variés que les vestiges de supernova ou les noyaux actifs de galaxies. Par ce biais, H.E.S.S. vise notamment à répondre à la question centenaire de lorigine des rayons cosmiques.
H.E.S.S. permet de mesurer la direction, lénergie et le temps darrivée de chaque photon détecté. La mesure du temps a permis de mettre en évidence des sources dont le flux présente des variations temporelles importantes ou encore périodiques. Létude de ces émissions variables (transitoires ou périodiques), que ce soit en direction du Centre Galactique ou de noyaux actifs de galaxies (AGN) lointains permet de mieux comprendre les processus démissions à lœuvre au sein de ces sources, de caractériser le milieu dans lequel les photons se propagent mais également de tester la validité de certaines lois physiques fondamentales comme l’invariance de Lorentz. La large gamme déchelles temporelles quil est possible de sonder permet de rechercher et détudier des sursauts ou des variations dans le flux des sources allant de quelques secondes (sursaut gamma, trous noirs primordiaux) à quelques années (systèmes binaires de haute masse, noyaux actifs de galaxie).
Lun des succès majeurs des deux décennies de prise de données de H.E.S.S. a été de conduire à des relevés des ciels galactique et extragalactique aux très-hautes énergies. Ces relevés combinent des observations dédiées à certaines sources,
comme le Centre Galactique ou certains vestiges de supernovæ, mais aussi des observations à l’aveugle pour la découverte de nouvelles sources. Le sujet de thèse proposé ici porte sur un aspect de l’étude des sources qui reste à explorer : la recherche et létude de la variabilité des sources de très hautes énergies. Pour les sources variables, il est également intéressant de corréler la variabilité dans d’autres domaines de longueurs d’onde. Finalement le modèle de la source peut aider à prédire son comportement, par exemple ses « états hauts » ou ses sursauts.

Les supernovae a` effondrement de cœur jouent un rôle pivot dans l’évolution stellaire des étoiles massives, la naissance des étoiles à neutrons et des trous noir, et l’enrichissement chimique des galaxies. Comment explosent-elles ’ Le mécanisme d’explosion peut être éclairé par l’analyse des signaux multi-messager: la production de neutrinos et d’ondes gravitationnelles est modulée par les instabilités hydrodynamiques pendant la seconde qui suit la formation d’une proto-étoile à neutrons.
Cette the`se propose d’utiliser la complémentarité des signaux multi-messager d’une supernova a` effondrement de cœur, à la lumière des simulations numériques de la dynamique de l’effondrement et de lanalyse perturbative, pour en extraire les informations physiques sur le mécanisme d’explosion.
Le projet abordera plus spécifiquement les propriétés multi-messager de linstabilité du choc stationnaire (SASI) et de linstabilite´ de corotation (low T/W) pour un progéniteur en rotation. Pour chacune de ces instabilités, les informations de composition des neutrinos et de polarisation des ondes gravitationnelles seront exploitées, ainsi que la corrélation entre ces signaux.

En un peu plus de deux ans dexploitation scientifique, le JWST a révolutionné notre compréhension des exoplanètes et de leurs atmosphères. La mission spatiale ARIEL, qui sera lancée en 2029, contribuera bientôt à cette révolution. Lune des principales découvertes rendues possibles par la qualité exceptionnelle des données du JWST est que les atmosphères des exoplanètes sont en déséquilibre chimique. Un traitement complet du déséquilibre est complexe, en particulier lorsque les atmosphères sont riches en métaux, cest-à-dire lorsquelles contiennent en abondance significative des éléments autres que lhydrogène et lhélium. Dans un premier temps, notre projet étudiera numériquement létendue du déséquilibre chimique dans les atmosphères des cibles du JWST suspectées davoir des atmosphères riches en métaux. Nous utiliserons à cette fin un modèle photochimique interne. Dans un deuxième temps, notre projet explorera leffet de la chimie super-thermique comme moteur du déséquilibre chimique. Cela permettra dobtenir des informations inédites sur la chimie des atmosphères riches en métaux, avec le potentiel de jeter un nouvel éclairage sur les trajectoires chimiques et évolutives des exoplanètes de faible masse.

Les amas de galaxies, situés aux nœuds de la toile cosmique, sont les plus grandes structures de l’Univers liées par la gravitation. Leur nombre et leur distribution spatiale sont très sensibles aux paramètres cosmologiques, comme la densité de matière dans l’Univers. Les amas constituent ainsi une sonde cosmologique performante. Elle a fait ses preuves ces dernières années (sondages Planck, South Pole Telescope, XXL, etc.) et promet de grandes avancées les prochaines années (sondages Euclid, Observatoire Vera Rubin, Simons Observatory, CMB-S4, etc.).
Le pouvoir cosmologique des amas de galaxies s’accroît avec la taille de l’intervalle de décalage vers le rouge (redshift z) couvert par le catalogue. Planck a détecté les amas les plus massifs de l’Univers dans 0 Seules les expériences étudiant le fond diffus cosmologique pourront observer le gaz chaud dans ces premiers amas à 2 Il faut donc essayer de comprendre et modéliser l’émission du gaz des amas en fonction du redshift, mais aussi celle des galaxies radio et infrarouge qu’ils contiennent pour pouvoir préparer la détection des premiers amas de galaxies de l’Univers.
L’Irfu/DPhP a développé les premiers outils de détection d’amas de galaxies dans les données du fond diffus cosmologique dans les années 2000. Ces outils ont été utilisés avec succès sur les données Planck et sur les données sol, comme celles de l’expérience SPT. Ils sont efficaces pour détecter les amas de galaxies dont l’émission est dominée par le gaz mais leur performance est inconnue dans le cas où l‘émission par les galaxies radios et infrarouges est importante.
Le travail de thèse consistera dans un premier temps à étudier et modéliser les émissions radio et infrarouge des galaxies des amas détectés dans les données du fond diffus cosmologique (Planck, SPT et ACT) en fonction du redshift.
Dans un second temps, on quantifiera l’impact de de ces émissions sur les outils de détection d’amas existants, dans le domaine de redshift actuellement sondé (0 Enfin, à partir de notre connaissance acquise sur ces émissions radio et infrarouge des galaxies dans les amas, on développera un nouvel outil d’extraction d’amas destiné aux amas à grand redshift (2 Le doctorant rejoindra les collaborations Simons Observatory et CMB-S4.

Contexte
En 2016, l'annonce de la première détection directe d'ondes gravitationnelles a ouvert une ère où l'univers sera sondé de manière inédite. Parallèlement, le succès de la mission LISA Pathfinder a permis de valider certaines technologies sélectionnées pour le projet LISA (Laser Interferometer Space Antenna). L'année 2024 a commencé avec l'adoption de la mission LISA par l'Agence spatiale européenne (ESA) et la NASA. Cet observatoire spatial des ondes gravitationnelles sans précédent sera composé de trois satellites distants de 2,5 millions de kilomètres et permettra la détection directe d'ondes gravitationnelles à des fréquences indétectables par les interféromètres terrestres. L'ESA prévoit un lancement en 2035.
Parallèlement aux aspects techniques, la mission LISA présente plusieurs défis en matière d'analyse des données qui doivent être relevés pour assurer le succès de la mission. La mission doit prouver qu'avec des simulations, la communauté scientifique sera en mesure d'identifier et de caractériser les signaux d'ondes gravitationnelles détectés. L'analyse des données comporte plusieurs étapes, dont le pipeline d'analyse rapide, dont le rôle est de détecter de nouveaux événements et de caractériser les événements détectés. Le dernier point concerne l'estimation rapide de la position dans le ciel de la source d'émission des ondes gravitationnelles et de leur temps caractéristique, comme le temps de coalescence pour une fusion de trous noirs.
Ces outils d'analyse constituent le pipeline d'analyse à faible latence. Outre son intérêt pour LISA, ce pipeline joue également un rôle essentiel pour permettre l'astronomie multi-messagers, qui consiste à surveiller rapidement les événements détectés par des observations électromagnétiques (observatoires terrestres ou spatiaux, des ondes radio aux rayons gamma).


Projet de doctorat
Le projet de doctorat se concentre sur le développement d'outils de détection et d'identification d'événements pour le pipeline d'alerte à faible latence (LLAP) de LISA. Ce pipeline sera une partie essentielle du flux de travail d'analyse de LISA, fournissant une détection rapide des binaires de trous noirs massifs, ainsi qu'une estimation rapide et précise des localisations du ciel des sources ainsi que du temps de coalescence. Ces informations sont essentielles pour les suivis multi-messager ainsi que pour l'analyse globale des données de LISA.
Alors que des méthodes d'analyse rapide ont été développées pour les interféromètres terrestres, le cas des interféromètres spatiaux tels que LISA reste un domaine à explorer. Un traitement adapté des données devra prendre en compte la façon dont les données sont transmises par paquets, ce qui rendra nécessaire la détection d'événements à partir de données incomplètes. En utilisant des données entachées d'artefacts tels que des glitchs ou des paquets de données manquants, ces méthodes devraient permettre la détection, la discrimination et l'analyse de diverses sources : fusions de trous noirs, EMRI (binaires spirales avec des rapports de masse extrêmes), sursauts et binaires provenant d'objets compacts. Un dernier élément de complexité crucial est la rapidité d'analyse, qui constitue une contrainte forte pour les méthodes à développer.
A cette fin, les problèmes que nous aborderons au cours de cette thèse seront les suivants :
1. L'inférence rapide des paramètres des ondes gravitationnelles, notamment la position du ciel et le temps de coalescence. Deux des principales difficultés résident dans la multimodalité de la distribution de probabilité a posteriori des paramètres cibles et dans les exigences strictes en matière de temps de calcul. À cette fin, nous envisagerons différentes stratégies d'inférence avancées, notamment
(a) L'utilisation d'algorithmes d'échantillonnage basés sur le gradient comme les diffusions de Langevin ou les méthodes de Monte Carlo Hamiltoniennes adaptées au problème des ondes gravitationnelles de LISA,
(b) l'utilisation de méthodes assistées par l'apprentissage automatique pour accélérer l'échantillonnage (par exemple, les normalising flows),
(c) l'utilisation de techniques d'inférence variationnelle.
2. Détection précoce des fusions de trous noirs.
3. La complexité croissante des données LISA, y compris, entre autres, un bruit réaliste, une réponse réaliste de l'instrument, des glitches, des données manquantes et des sources qui se superposent.
4. Le traitement en ligne des paquets de données de 5 minutes avec le cadre d'inférence rapide développé.
Cette thèse sera basée sur l'application de méthodes bayésiennes et statistiques pour l'analyse des données et l'apprentissage automatique. Cependant, un effort sur la partie physique est nécessaire, à la fois pour comprendre les simulations et les différentes formes d'ondes considérées (avec leurs hypothèses sous-jacentes) et pour interpréter les résultats concernant la détectabilité des signaux de fusion de trous noirs dans le contexte de l'analyse rapide des données LISA.

Les sursauts gamma cosmiques (GRBs) sont des bref (0.1-100 s) éclairs de photons gamma qui apparaissent de façon imprévisible sur toute la voûte céleste. Bien que découverts à la fin des années 1960, ils sont restés mystérieux jusquà la fin des années 1990 à cause de leur nature furtive. Ce nest que grâce aux observations du satellite BepppSAX à la fin des années 1990 et surtout à celles du satellite Swift à partir des années 2000, que le mystère de la nature de ces sources à pu être percé.
En fait il sagit démissions liées dune part aux phases finales dune étoile très massive (30-50 fois la masse su Soleil) pour les sursaut longs (2 s) et de lautre à la coalescence de deux objets compacts (typiquement deux étoiles à neutrons) pour les sursauts courts ( 2s). Dans tous les cas il y a création dun jet de matière relativiste qui est à lorigine de lémission gamma et dans les autres bandes dénergie. Si ce puissant jet est pointé vers la terre on peut observer les sursauts gamma jusquà des distances très élevées (z~9.1) ce qui correspond à un age très jeune de notre Univers (~500 Myr).
SVOM est une mission satellitaire franco-chinoise dédiée à letude des sursauts gamma, qui a été lancée avec succès le 22 juin 2024 et dans laquelle le CEA/Irfu/DAp est fortement impliqué. Le sujet de thèse se propose dexploiter les données multi-longueur donde de la charge utile de SVOM et des télescopes partenaires pour mieux étudier la nature des sursauts gamma et en particulier dutiliser les données du telescope à rayons X MXT, pour mieux contraindre la nature de lobjet compact qui est la source des jets relativistes, qui sont à lorigine des émissions observées.

L'étude des filaments de la toile cosmique est un aspect primordial de la recherche moderne en cosmologie. Avec l'avènement des grands relevés cosmologiques extrêmement vastes et précis, notamment la mission spatiale Euclid, il devient possible d'étudier en détail la formation des structures cosmiques via l'instabilité gravitationnelle. En particulier, les aspects non linéaires de cette dynamique peuvent être étudiés d'un point de vue théorique avec l'espoir de détecter des signatures dans les observations. L'une des principales difficultés à cet égard est probablement de faire le lien entre la distribution observée des galaxies le long des filaments et la distribution de matière sous-jacente pour laquelle des modèles à partir de premiers principes sont connus. En s'appuyant sur des développements théoriques récents en théorie des perturbations gravitationnelles et en théorie des champs aléatoires contraints, le candidat retenu développera des prédictions pour des observables statistiques (comptages d'extrema, estimateurs topologiques, fonctions de corrélation d'extrema, voir e.g Pogosyan et al. 2009, MNRAS 396 ou Ayçoberry, Barthelemy, Codis 2024, A&A 686) de la toile cosmique, appliqués au champ discret de galaxies qui ne trace la matière totale que de manière biaisée. Ce modèle sera ensuite appliqué à l'analyse des données d'Euclid.

Contexte
Les problèmes inverses, cest-à-dire lestimation des signaux sous-jacents à partir dobservations corrompues, sont omniprésents en astrophysique, et notre capacité à les résoudre avec précision est essentielle à linterprétation scientifique des données. Parmi les exemples de ces problèmes, on peut citer linférence de la distribution de la matière noire dans lUnivers à partir des effets de lentille gravitationnelle [1], ou la séparation des composantes dans limagerie radio-interférométrique [2].

Grâce aux récents progrès de lapprentissage profond, et en particulier aux techniques de modélisation générative profonde (par exemple les modèles de diffusion), il est désormais possible non seulement dobtenir une estimation de la solution de ces problèmes inverses, mais aussi deffectuer une quantification de lincertitude en estimant la distribution de probabilité a posteriori Bayésienne du problème, cest-à-dire en ayant accès à toutes les solutions possibles qui seraient permises par les données, mais aussi plausibles en fonction des connaissances antérieures.

Notre équipe a notamment été pionnière dans lélaboration de méthodes bayésiennes combinant notre connaissance de la physique du problème, sous la forme dun terme de vraisemblance explicite, avec des à prioris basées sur les données et mises en œuvre sous la forme de modèles génératifs. Cette approche contrainte par la physique garantit que les solutions restent compatibles avec les données et évite les « hallucinations » qui affectent généralement la plupart des applications génératives de lIA.

Cependant, malgré les progrès remarquables réalisés au cours des dernières années, plusieurs défis subsistent dans le cadre évoqué ci-dessus, et plus particulièrement :

[Données à priori imparfaites ou avec une distribution décalée] La construction de données à priori nécessite généralement laccès à des exemples de données non corrompues qui, dans de nombreux cas, nexistent pas (par exemple, toutes les images astronomiques sont observées avec du bruit et une certaine quantité de flou), ou qui peuvent exister mais dont la distribution peut être décalée par rapport aux problèmes auxquels nous voudrions appliquer ce distribution à priori.
Ce décalage peut fausser les estimations et conduire à des conclusions scientifiques erronées. Par conséquent, ladaptation, ou létalonnage, des antécédents basés sur les données à partir dobservations incomplètes et bruyantes devient cruciale pour travailler avec des données réelles dans les applications astrophysiques.

[Échantillonnage efficace de distributions a posteriori à haute dimension] Même si la vraisemblance et là priori basé par les données sont disponibles, léchantillonnage correct et efficace de distributions de probabilités multimodales non convexes dans des dimensions si élevées reste un problème difficile. Les méthodes les plus efficaces à ce jour reposent sur des modèles de diffusion, mais elles sappuient sur des approximations et peuvent être coûteuses au moment de linférence pour obtenir des estimations précises des distributions a posteriori souhaités.

Les exigences strictes des applications scientifiques sont un moteur puissant pour lamélioration des méthodologies, mais au-delà du contexte scientifique astrophysique qui motive cette recherche, ces outils trouvent également une large application dans de nombreux autres domaines, y compris les images médicales [3].

Projet de doctorat
Le candidat visera à répondre à ces limitations des méthodologies actuelles, avec lobjectif global de rendre la quantification de lincertitude pour les problèmes inverses à grande échelle plus rapide et plus précise.
Comme première direction de recherche, nous étendrons une méthodologie récente développée simultanément par notre équipe et nos collaborateurs de Ciela [4,5], basée sur lalgorithme despérance-maximisation, afin dapprendre itérativement (ou dadapter) des distributions à priori basés sur des méthodes de diffusion à des données observées sous un certain degré de corruption. Cette stratégie sest avérée efficace pour corriger les décalages de la distribution á priori (et donc pour obtenir des distributions à posteriori bien calibrés). Cependant, cette approche reste coûteuse car elle nécessite la résolution itérative de problèmes inverses et le réentraînement des modèles de diffusion, et dépend fortement de la qualité du solveur de problèmes inverses. Nous explorerons plusieurs stratégies, notamment linférence variationnelle et les stratégies améliorées déchantillonnage pour des problèmes inverses, afin de résoudre ces difficultés.
Dans une deuxième direction (mais connexe), nous nous concentrerons sur le développement de méthodologies générales pour léchantillonnage de postérieurs complexes (géométries multimodales/complexes) de problèmes inverses non linéaires. En particulier, nous étudierons des stratégies basées sur le recuit (annealing) de la distribution à posteriori, inspirées de léchantillonnage de modèles de diffusion, applicables dans des situations avec des vraisemblances et des distributions à priori explicites.
Finalement, nous appliquerons ces méthodologies à des problèmes inverses difficiles et à fort impact en astrophysique, en particulier en collaboration avec nos collègues de linstitut Ciela, nous viserons à améliorer la reconstruction des sources et des lentilles des systèmes de lentilles gravitationnelles fortes.
Des publications dans les meilleures conférences sur lapprentissage automatique sont attendues (NeurIPS, ICML), ainsi que des publications sur les applications de ces méthodologies dans des revues dastrophysique.

Références
[1] Benjamin Remy, Francois Lanusse, Niall Jeffrey, Jia Liu, Jean-Luc Starck, Ken Osato, Tim Schrabback, Probabilistic Mass Mapping with Neural Score Estimation, https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2023/04/aa43054-22/aa43054-22.html

[2] Tobías I Liaudat, Matthijs Mars, Matthew A Price, Marcelo Pereyra, Marta M Betcke, Jason D McEwen, Scalable Bayesian uncertainty quantification with data-driven priors for radio interferometric imaging, RAS Techniques and Instruments, Volume 3, Issue 1, January 2024, Pages 505–534, https://doi.org/10.1093/rasti/rzae030

[3] Zaccharie Ramzi, Benjamin Remy, Francois Lanusse, Jean-Luc Starck, Philippe Ciuciu, Denoising Score-Matching for Uncertainty Quantification in Inverse Problems, https://arxiv.org/abs/2011.08698

[4] François Rozet, Gérôme Andry, François Lanusse, Gilles Louppe, Learning Diffusion Priors from Observations by Expectation Maximization, NeurIPS 2024, https://arxiv.org/abs/2405.13712

[5] Gabriel Missael Barco, Alexandre Adam, Connor Stone, Yashar Hezaveh, Laurence Perreault-Levasseur, Tackling the Problem of Distributional Shifts: Correcting Misspecified, High-Dimensional Data-Driven Priors for Inverse Problems, https://arxiv.org/abs/2407.17667

Dans les années à venir, la mission Euclid fournira des mesures des formes et des positions de milliards de galaxies avec une précision sans précédent. Lorsque la lumière des galaxies d’arrière-plan traverse l’Univers, elle est déviée par la gravité des structures cosmiques, déformant les formes apparentes des galaxies. Cet effet, connu sous le nom de lentille faible, est la sonde cosmologique la plus puissante de la prochaine décennie, et il peut répondre à certaines des plus grandes questions de la cosmologie : que sont la matière noire et l’énergie noire, et comment se forment les structures cosmiques ’
L’approche standard de l’analyse de la lentille faible consiste à ajuster les statistiques à deux points des données, telles que la fonction de corrélation des formes de galaxies observées. Cependant, cette compression des données n’est pas optimale et rejette de grandes quantités d’informations. Cela a conduit au développement de plusieurs approches basées sur des statistiques d’ordre élevé, telles que les troisièmes moments, les harmoniques de phase en ondelettes et les analyses au niveau du champ. Ces techniques fournissent des contraintes plus précises sur les paramètres du modèle cosmologique (Ajani et al. 2023). Cependant, avec leur précision croissante, ces méthodes deviennent sensibles aux effets systématiques qui étaient négligeables dans les analyses statistiques standard à deux points.
L'une de ces systématiques est le regroupement des sources, qui fait référence à la distribution non uniforme des galaxies observées dans les relevés de lentilles faibles. Plutôt que d'être uniformément distribuées, les galaxies observées suivent la densité de matière sous-jacente. Ce regroupement provoque une corrélation entre le signal de lentille et la densité du nombre de galaxies, conduisant à deux effets : (1) il module la distribution effective du décalage vers le rouge des galaxies, et (2) il corrèle le bruit de forme des galaxies avec le signal de lentille. Bien que cet effet soit négligeable pour les statistiques à deux points (Krause et al. 2021, Linke et al. 2024), il a un impact significatif sur les résultats des statistiques d'ordre élevé (Gatti et al. 2023). Par conséquent, une modélisation précise du regroupement des sources est essentielle pour appliquer ces nouvelles techniques aux données de lentilles faibles d'Euclid.
Dans ce projet, nous développerons un cadre d'inférence pour modéliser le regroupement de sources et évaluer son impact sur les contraintes cosmologiques à partir de statistiques d'ordre élevé. Les objectifs du projet sont :
1. Développer un cadre d'inférence qui remplit les champs de matière noire avec des galaxies, en modélisant avec précision la distribution non uniforme des galaxies d'arrière-plan dans les relevés de lentilles faibles.
2. Quantifier l'impact du regroupement de sources sur les paramètres cosmologiques à partir de transformées en ondelettes et d'analyses au niveau du champ.
3. Incorporer le regroupement de sources dans des émulateurs de la distribution de matière pour permettre une modélisation précise des données dans les analyses statistiques d'ordre élevé.
Grâce à ces développements, ce projet améliorera la précision des analyses cosmologiques et le réalisme de la modélisation des données, rendant possibles des analyses statistiques d'ordre élevé pour les données Euclid.

L'objectif de ce projet de doctorat est de développer une nouvelle analyse conjointe de la distribution des galaxies mesurées par l'instrument DESI et de la mesure de Planck PR4/ACT de lentillage du fonds diffus cosmologique (CMB), en se basant sur des simulations numériques des relevés et les méthodes d'apprentissage automatique et les techniques d'inférence statistique les plus modernes. L'objectif est de surmonter les approches traditionnelles et d'améliorer la récupération des paramètres cosmologiques.
cosmologiques. L'inférence jointe des données de DESI et de Planck/ACT améliorera de manière significative les contraintes sur la croissance de la structure par rapport aux analyses DESI uniquement et de raffiner plus encore les tests de la relativité générale.

L'effet de lentille gravitationnelle faible, la distorsion des images de galaxies à haut redshift due aux structures de matière au long de la ligne de visée à grande échelle, est l'un des outils les plus prometteurs de la cosmologie pour sonder le secteur sombre de l'Univers. Le satellite spatial européen Euclide mesurera les paramètres cosmologiques avec une précision sans précédent. Pour atteindre cet objectif ambitieux, un certain nombre de sources d’erreurs systématiques doivent être quantifiées et comprises. L’une des principales origines des biais est liée à la détection des galaxies. Il existe une forte dépendance à la densité de galaxies locale et au fait que l'émission lumineuse de la galaxie chevauche les objets proches. Si elles ne sont pas traitées correctement, de telles galaxies « mélangées » (blended) biaiseront fortement toute mesure ultérieure de distorsions d'image à faible lentille.
L'objectif de cette thèse est de quanti’er et de corriger les biais de détection des lentilles faibles, notamment dus au mélange. À cette fin, des algorithmes modernes d’apprentissage automatique et profond, y compris des techniques d’auto-différenciation, seront utilisés. Ces techniques permettent une estimation très efficace de la sensibilité des biais liés aux propriétés des galaxies et des levés sans qu'il soit nécessaire de créer un grand nombre de simulations. L'étudiant effectuera des analyses d'inférence de paramètres cosmologiques des données de lentille faible d'Euclide. Les corrections des biais développées dans cette thèse seront inclutes à prior dans la mesure de formes de galaxies, où à postérior â l'aide de paramètres de nuisance, afin d'obtenir des mesures de paramètres cosmologiques avec une fiabilitlé requise pour une cosmologie de précision.

La formation des planètes est un sujet phare de l’astrophysique avec des implications sur des questions existentielles comme l’origine de la vie dans l’Univers. De manière surprenante, nous ne savons pas précisément quand les planètes se forment au sein des disques protoplanétaires. De récentes observations semblent indiquer que ce processus pourrait se produire tôt dans l’évolution de ces disques. Mais les conditions qui règnent dans les disques jeunes sont encore méconnues. Au cours de cette thèse, nous proposons d’étudier l’hypothèse d’une formation rapide des planètes. Nous effectuerons des simulations 3D de formation des disques, incluant l’évolution du gaz, de la poussière ainsi que des mécanismes permettant de convertir les poussières en planétésimaux lorsque les conditions seront adéquates. En plus de déterminer si les planètes se forment rapidement ou non, nous pourrons étudier l’architecture des systèmes planétaires formés et la comparer aux systèmes d’exoplanètes observés. Ce travail, à la pointe de nos connaissances actuelles, s’inscrit dans de nombreux efforts de la communauté pour mieux comprendre les exoplanètes ainsi que nos origines.

Le projet XMM Heritage sur le champ DEEP Euclid Fornax a pour but de caractériser les amas de galaxies distants en comparant les détections en X et en optique/IR. Les deux méthodes font appel à des propriétés des amas très différentes ; ultimement, leur combinaison permettra de fixer les paramètres libres de la fonction de sélection des amas Euclid sur tout le survey WIDE, et constituera donc un ingrédient fondamental pour l’analyse cosmologique Euclid.

La gamme de redshift visée ([1-2]) n'a jamais pu être explorée de manière systématique alors qu'elle constitue un domaine critique pour l'utilisation des amas en cosmologie.
Avec FornaX, pour la première fois, on aura accès à un grand volume à ces redshifts, ce qui permettra de quantifier statistiquement l'évolution des amas : rôle des AGN dans les propriétés du gaz intra-amas ’ Existe-t-il des amas massifs déficients en gaz ’ Quelles sont les biais respectifs de détection en X et en optique ’
Le travail de thèse consistera en (1) la construction et la validation du catalogue d’amas X ; (2) la corrélation avec les catalogues en optique/IR obtenus par Euclid (3) l’étude de l’évolution combinée X-optique des amas.
Tous les algorithmes de détection et de caractérisation des amas dans les images XMM existent, mais on poussera la détection plus profondément en utilisant des techniques d’intelligence artificielle (combinant l’information spatiale et spectrale sur les sources). Le problème complexe de la corrélation spatiale entre les catalogues d’amas XMM et Euclid fera aussi intervenir l’IA.

Site du projet : https://fornax.cosmostat.org/

Récemment, il a été reconnu que les structures causales en mécanique quantique permettent de concevoir une nouvelle ressource non classique, connue sous le nom de causalité indéterminée, qui ouvre de nouvelles perspectives en information quantique. Malgré des avancées théoriques significatives et quelques réalisations expérimentales, les implications conceptuelles de la causalité indéterminée restent mal comprises. Dans le même temps, la causalité quantique est devenu un élément fondamental du formalisme mathématique afin d’élucider les divergences entre les approches opérationnelles et spatiotemporelles en physique. Elle a déjà facilité une compréhension améliorée de concepts fondamentaux tels que les événements (Vilasini et Renner, Phys. Rev. Lett. 133, 080201), les faits (Brukner, Nature Phys. 16, 1172–1174, 2020), les entrées/sorties (Chiribella et Liu, Comm. Phys. 5, 190, 2022), les systèmes (Grinbaum, Stud. Hist. Phil. Mod. Phys. 58, 22-30, 2017) et le calcul (Araujo et al., Phys. Rev. A 96, 052315, 2017).
Dans cette thèse, le candidat développera une compréhension systématique des leçons conceptuelles de la causalité indéterminée au sein des cadres classiques, quantiques et des théories probabilistes généralisées (GPT). Il examinera la signification fondamentale des configurations bipartites et multipartites, y compris leurs capacités spatio-temporelles et computationnelles. Pour réaliser des progrès significatifs dans le domaine des fondements de la théorie quantique, le candidat cherchera à appliquer la causalité indéterminée pour approfondir notre compréhension de la théorie quantique standard et de ses interprétations.
Les questions de recherche spécifiques incluent :
• Établir des bases conceptuelles pour l'identification des systèmes et des événements à travers le temps, en particulier en relation avec les ordres causaux indéfinis et les scénarios de « l'ami de Wigner ».
• Placer cette discussion fondamentale émergente dans un cadre philosophique et métaphysique plus large.
• Aborder la notion d'agent/observateur en tant qu'entité théorique plutôt que métathéorique.
Des publications sont attendues dans des revues de physique (PRL, PRA, NJP, Quantum) et/ou dans des revues de philosophie de la physique (Philosophy of Physics, BJPS, Found. Phys., SHPMP). Des collaborations sont prévues avec des groupes en France, en Autriche, en Belgique et au Canada.

Cette thèse de doctorat vise à développer un cadre d'analyse avancé pour l'inspection des conteneurs de déchets nucléaires à l'aide de la tomographie muonique, et plus particulièrement via la méthode par diffusion des muons. La tomographie muonique, qui exploite les muons naturels issus des rayons cosmiques pour scanner des structures denses, s'est avérée précieuse dans des domaines dans lesquels les méthodes d'imagerie traditionnelles sont inefficaces. Le CEA/Irfu, avec son expertise dans les détecteurs de particules, cherche à exploiter l'intelligence artificielle (IA) et le Machine Learning (ML) pour optimiser l'analyse des données des muons, notamment pour réduire les temps d'exposition et améliorer la fiabilité des images.

Le projet consistera à se familiariser avec les principes de la muographie, à simuler les interactions des muons avec les conteneurs de déchets et à développer des techniques de traitement d'images et d'augmentation de données basées sur le ML. Le résultat devrait aboutir à des outils efficaces permettant d'interpréter les muographies (images de tomographie muonique), d’accélérer l’analyse et de classifier de manière fiable le contenu des conteneurs. L'objectif de la thèse est d'améliorer la sécurité et la fiabilité de l'inspection des déchets nucléaires en produisant des muographies plus nettes, plus rapides et plus interprétables grâce à des méthodes d'analyse innovantes.

L’observation multi-longueur d’onde des sources astrophysiques est la clé d’une compréhension globale des processus physiques en jeu. En raison de contraintes instrumentales, la bande spectrale de 0,1 à 1 MeV est celle qui souffre le plus d’une sensibilité insuffisante de détection dans les observatoires existants. Ce domaine permet d’observer les noyaux actifs de galaxies les plus enfouis et les plus lointains pour mieux comprendre la formation et l’évolution des galaxies à des échelles cosmologiques. Il relève des processus de nucléosynthèse des éléments lourds de notre Univers et l’origine des rayons cosmiques omniprésents dans l’Univers. La difficulté intrinsèque de la détection dans ce domaine spectral réside dans l’absorption de ces photons très énergétiques après des interactions multiples dans le matériau. Cela requiert une bonne efficacité de détection mais également une bonne localisation de toutes les interactions pour en déduire la direction et l’énergie du photon incident. Ces enjeux de détection sont identiques pour d’autres applications à fort impact sociétal et environnemental : le démantèlement et l’assainissement des installations nucléaires, le suivi de la qualité de l’air, la dosimétrie en radiothérapie.
Cette thèse d’instrumentation a pour objectif de développer un détecteur « 3D » polyvalent, exploitable dans les domaines de l’astrophysique et de la physique nucléaire, avec une meilleure efficacité de détection dans la gamme 100 keV à 1 MeV et des évènements Compton, ainsi que la possibilité de localiser les interactions dans le détecteur à mieux que la taille d’un pixel.
Plusieurs groupes dans le monde, dont le nôtre, ont développé des spectro-imageurs X dur à base de semi-conducteurs haute densité pixélisés pour l’astrophysique (CZT pour NuSTAR, CdTe pour Solar Orbiter et Hitomi), pour le synchrotron (Hexitec UK, RAL) ou pour des applications industrielles (Timepix, ADVACAM). Leur gamme d’énergie reste toutefois limitée à environ 200 keV (sauf pour Timepix) en raison de la faible épaisseur des cristaux et de leurs limitations intrinsèques d’exploitation. Pour repousser la gamme en énergie au-delà du MeV, il faut des cristaux plus épais associés à des bonnes propriétés de transport des porteurs de charge. Cela est actuellement possible avec du CZT, mais nécessite néanmoins de relever plusieurs défis.
Le premier défi était la capacité des industriels à fabriquer des cristaux de CZT homogènes épais. Les avancées dans ce domaine depuis plus de 20 ans nous permettent aujourd’hui d’envisager des détecteurs jusqu’à au moins 10 mm d’épaisseur (Redlen, Kromek).
Le principal défi technique restant est l’estimation précise de la charge générée par interaction d’un photon dans le semi-conducteur. Dans un détecteur pixélisé où seules les coordonnées X et Y de l’interaction sont enregistrées, augmenter l’épaisseur du cristal dégrade les performances spectrales. Obtenir l’information de profondeur d’interaction Z dans un cristal monolithique permet théoriquement de lever le verrou associé. Cela nécessite le déploiement de méthodes expérimentales, de simulations physiques, de conception de circuits de microélectronique de lecture et de méthodes d’analyse de données originales. De plus, la capacité à localiser les interactions dans le détecteur à mieux que la taille d’un pixel contribue à résoudre ce défi.

En accord avec la volonté annoncée par le CERN de mettre en œuvre un super-collisionneur de type FCC, des électro-aimants supraconducteurs à haut champ à base de Nb3Sn sont développés. Dans le cadre de la collaboration européenne HFM (High Field Magnets), le LEAS au CEA Paris-Saclay conçoit, fabrique, et teste des démonstrateurs d’aimants supraconducteurs à base de Nb3Sn générant jusqu’à 16 T. Les conducteurs Nb3Sn requièrent un traitement thermique à 650°C. Au cours de ce traitement thermique, différents phénomènes physico-chimiques mènent à la formation de la phase supraconductrice Nb3Sn. Ces phénomènes induisent un état mécanique impactant les propriétés supraconductrices du matériau. Or, les propriétés mécaniques de la phase Nb3Sn, et des autres matériaux constituants le conducteur, sont peu voire pas du tout connues. Le but de cette thèse est d’étudier, à l’aide de modélisations et d’expériences, l’état thermomécanique de conducteurs lors du traitement thermique afin d’estimer les contraintes internes et leur impact sur les performances supraconductrices. Les résultats permettront d’améliorer les performances supraconductrices du Nb3Sn en vue de produire des aimants à haut champ pour les futurs accélérateurs.

Le projet de thèse proposé s’inscrit dans l’étude des oscillations des neutrinos, un phénomène quantique clé pour explorer la Nouvelle Physique au-delà du Modèle Standard. Ces oscillations, comparées entre neutrinos et antineutrinos, pourraient apporter des éclaircissements sur lune des questions les plus fondamentales de la physique des particules : lorigine de lasymétrie matière-antimatière dans lUnivers.

L’expérience T2K, située au Japon, étudie ces oscillations en générant un faisceau intense de neutrinos (et antineutrinos) muoniques. Ce faisceau est mesuré à deux endroits : un détecteur proche, utilisé pour réduire les incertitudes systématiques liées au flux de neutrinos et aux modèles d’interaction, et un détecteur lointain (Super-Kamiokande), chargé de mesurer la disparition des neutrinos muoniques et l’apparition des neutrinos électroniques après oscillations.

Le projet de thèse se divise en deux parties. La première consistera à calibrer les nouveaux détecteurs (nouvelles chambres à projection temporelle utilisant la technologie MicroMegas resistive) pour mesurer le spectre en énergie des neutrinos et à évaluer les incertitudes systématiques associées. La seconde partie portera sur l’analyse des nouvelles données collectées, permettant d’obtenir des mesures plus précises des paramètres doscillation, daméliorer la compréhension des interactions neutrino-noyau, et de mesurer la violation de CP dans les oscillations des neutrinos avec une précision de 3 sigma dans le cas d’une violation maximale, comme l’indiquent les derniers résultats de T2K, et à terme 5 sigma dans la future expérience Hyper-Kamiokande, qui utilisera le même faisceau et le même détecteur proche que T2K.

Neutrinoless double beta decay (0nßß) represents a pivotal area of research in nuclear physics, offering profound insights into neutrino properties and the potential violation of lepton number conservation. The CUPID experiment is at the forefront of this investigation, employing advanced scintillating bolometers at cryogenic temperatures to minimize radioactive background noise. It aims to achieve unprecedented sensitivity in detecting 0nßß decay using lithium molybdate (Li2MoO4) crystals. These crystals are particularly advantageous due to their scintillation properties and the high Q-value of the decay process, which lies above most environmental gamma backgrounds. In turn this endeavour will require operating a fine grained array of 1596 dual heat/light detectors with excellent energy resolution. The proposed thesis integrates artificial intelligence (AI) techniques to enhance data analysis, reconstruction, and modeling for the CUPID experiment demonstrators and the science exploitation of CUPID.

The thesis will focus on two primary objectives:
1. Improved Time Series Event Reconstruction Techniques
- CNN based denoising and comparison against optimal classical techniques
2. Multivariate science analysis of a large neutrino detector array
- Analysis of Excited States: The study will use Geant4 simulations together with the CUPID background model as training data to optimize the event classification and hence science potential for the analysis of 2nßß decay to excited states.

Cette proposition vise à développer et améliorer les futures performances de trajectographie de lexpérience LHCb au Grand collisionneur de hadrons (LHC) via l’étude de divers algorithmes basés sur lapprentissage machine automatique. Parmi les systèmes de trajectographie de LHCb, le sous-détecteur Upstream Tracker (UT) joue un rôle crucial dans la réduction du taux de fausses traces reconstruites dès les premières étapes du processus de reconstruction. Dans loptique de pouvoir mener à bien les futures études de désintégrations rares de particules, la violation CP dans le Modèle standard, et létude du plasma de Quark et Gluon dans les collisions Pb-Pb, une trajectographie précise dans LHCb est obligatoire.

Avec les mises à jour du détecteur prévues dici 2035 et laugmentation anticipée des taux de données, les méthodes de trajectographie traditionnelles risquent de ne pas répondre aux exigences computationnelles, notamment dans les collisions noyau-noyau où des milliers de particules sont produites. Durant la thèse, nous explorerons une gamme de techniques basées sur lapprentissage machine automatique, comme celles déjà appliquées avec succès dans le Vertex Locator (VELO) de LHCb, pour améliorer la performance de trajectographie de lUT. En appliquant des méthodes variées, nous visons à améliorer la reconstruction des trajectoires aux premiers stades de la reconstruction, accroître lefficacité de trajectographie et réduire le taux de fausses traces. Parmi ces techniques, les réseaux de neurones graphiques (Graph Neural Networks, GNN) représentent une option particulièrement prometteuse grâce à lexploitation des corrélations spatiales et temporelles des hits du détecteur.

Cette exploration de nouvelles méthodes impliquera des développements adaptés au matériel hardware, qu’il s’agisse de GPU, CPU ou FPGA, tous potentiellement présent dans larchitecture de reconstruction du futur LHCb. Nous comparerons les différents algorithmes par rapport aux méthodes de trajectographie actuelles afin de quantifier les améliorations en termes de performance, de scalabilité et defficacité computationnelle. De plus, nous prévoyons d’intégrer les algorithmes les plus performants au sein du logiciel de LHCb de de garantir leur compatibilité avec les pipelines de données existants.

Les neutrinos sont des messagers prometteurs pour détecter de la physique au-delà du Modèle Standard. Leur nature mystérieuse et leur masse encore inexpliquée suggèrent quils pourraient révéler de nouvelles voies pour la physique. Les recherches sur les oscillations de neutrinos sont entrées dans une phase de précision avec des expériences comme T2K, qui, en 2020, a observé des indices de violation de CP dans le secteur leptonique, susceptibles d’apporter des réponses à la question de l’asymétrie matière-antimatière dans l’Univers.

Lexpérience T2K, qui se déroule au Japon, mesure les oscillations de neutrinos en produisant un faisceau intense de neutrinos (et antineutrinos) muoniques. Ce faisceau est analysé à deux emplacements : un détecteur proche, conçu pour contraindre les incertitudes systématiques associées au flux de neutrinos et aux modèles dinteraction, et un détecteur lointain (Super-Kamiokande), qui permet de mesurer la disparition des neutrinos muoniques ainsi que lapparition des neutrinos électroniques à la suite des oscillations.
En 2023, T2K a entamé sa seconde phase avec une puissance de faisceau accrue et des améliorations du détecteur proche ND280, incluant une nouvelle cible hautement segmentée et des chambres à projection temporelle à grands angles (HA-TPC). Ces améliorations permettent une reconstruction plus précise des particules produites par les interactions de neutrinos.

Les équipes de lIRFU ont contribué en développant des HA-TPC équipées de la technologie Micromegas résistive. Ces travaux améliorent la résolution spatiale et la précision du moment des particules. La thèse explore loptimisation des algorithmes de reconstruction des trajectoires des particules dans les HA-TPC grâce à des techniques avancées, ainsi que lanalyse des données T2K avec le ND280 amélioré afin datteindre un niveau de significance de 3 sigma sur la violation de CP. T2K prépare ainsi le terrain pour les expériences futures comme DUNE et Hyper-Kamiokande, ouvrant de nouvelles perspectives pour les deux prochaines décennies.

La synthèse des noyaux superlourds est un objectif majeur de la Physique Nucléaire moderne qui dépend de leur identification en masse et en charge. S3 et SIRIUS permettent de séparer les isotopes superlourds et vont être équipés de détecteurs de rayons-X pour l’indentification en Z. Le ou la Doctorant.e développera des détecteurs de rayons-X pour SIRIUS et les utiliser pour étudier les noyaux superlourds. Elle/Il travaillera au GANIL et dans des laboratoires internationaux comme ANL.

L'objectif de la thèse est une mesure précise de la masse et de la largeur du boson W, en étudiant ses desintegrations leptoniques avec le détecteur ATLAS au LHC. L'analyse sera basée sur l'ensemble des données du Run 2 du LHC, et vise une précision sur la masse de 10 MeV.

Le candidat s'impliquera dans l'étude de l'alignement et de la calibration du spectromètre à muons d'ATLAS. L'IRFU a joué un rôle prépondérant dans la conception et la construction de cet instrument et s'implique fortement dans son exploitation scientifique. Il s'agira de combiner de manière optimale la mesure donnée par le spectromètre avec celle du détecteur interne d'ATLAS, à l'aide d'un modèle précis du champ magnétique et du positionnement relatif de ces systèmes, afin de reconstruire la cinématique des muons avec la précision requise pour la mesure.

La deuxième phase du projet consiste à améliorer la modélisation du processus de production et de désintégration des bosons W et d'optimiser l'analyse en tant que telle afin de minimiser l'incertitude finale de la mesure. Le résultat de la mesure sera combiné avec les autres mesures existantes, et interprété en termes de compatibilité avec la prédiction du Modèle Standard ou comme indication de la présence de nouvelle physique.

La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d'imagerie médicale nucléaire largement utilisée en oncologie et en neurobiologie.
Nous vous proposons de contribuer au développement d’une technologie ambitieuse et brevetée : ClearMind. Le premier prototype est à nos laboratoires. Ce détecteur de photons gamma utilise un cristal monolithique de PbWO4, dans lequel sont produits des photons Cherenkov et de scintillation. Ces photons optiques sont convertis en électrons par une couche photo-électrique et multipliés dans une galette à microcanaux. Les signaux électriques induits sont amplifiés par des amplificateurs gigahertz et numérisés par les modules d'acquisition rapide SAMPIC. La face opposée du cristal sera équipée d'une matrice de photo-détecteur en silicium (SiPM).
Vous travaillerez dans un laboratoire d’instrumentation avancé dans un environnement de physique des particules.
Il s’agira d’abord d’optimiser les « composants » des détecteurs ClearMind, pour parvenir à des performances nominales. Nous travaillerons sur les cristaux scintillants, les interfaces optiques, les couches photo-électriques et les photo-déteceturs rapides associés, les électroniques de lectures.
Il s’agira ensuite de caractériser les performances des détecteurs prototypes sur nos bancs de mesure en développement continu.
Il s’agira enfin de confronter les propriétés mesurées de nos détecteurs à des simulations dédiées (Monté-Carlo sur logiciels Geant4/Gate).
Un effort particulier sera con-sacré au développement de cristaux scintillants ultra-rapides dans le contexte d’une collaboration européenne.

Depuis la découverte du boson de Higgs (H) en 2012 par les expériences ATLAS et CMS, et après un peu plus de 10 ans passés à étudier ses propriétés, en particulier grâce aux larges ensembles de données du Run 2 du LHC collectés par les deux collaborations entre 2015 et 2018, tout semble indiquer que nous avons finalement complété le Modèle Standard (MS), tel qu’il avait été prédit il y a soixante ans. Cependant, malgré le succès de cette théorie, de nombreuses questions restent sans réponse, et des études approfondies du secteur scalaire du MS pourraient nous donner des indices pour les aborder.

L'étude de la production double de bosons de Higgs (HH) suscite actuellement un intérêt particulier dans la communauté de physique des hautes énergies, car elle constitue le meilleur moyen expérimental d'accéder à l'auto-couplage du H, et par conséquent au potentiel de Higgs V(H). Grâce à ses liens directs avec la transition de phase électrofaible (EWPT), la forme de V(H) revêt une importance particulière pour les modèles au-delà du Modèle Standard (BSM) qui tentent, par exemple, d'expliquer la baryogenèse primordiale et l'asymétrie entre la matière et l'antimatière dans notre univers. Certaines de ces modèles prédisent un secteur scalaire étendu, impliquant l'existence de bosons de Higgs additionnels, souvent interagissant de manière privilégiée avec le H du MS.

Le groupe CMS du CEA-Saclay/IRFU/DPhP souhaite donc proposer une thèse sur la recherche de la production HH résonante, se focalisant sur le canal H(bb)H(tautau), dans l'objectif de contraindre les modèles en question, et impliquant pour la première fois une caractérisation complête du signal BSM et de ses interférences avec le MS. L’étudiant(e) sélectionné(e) prendra part à des activités de recherche déjà bien établies au sein de la collaboration CMS, et du groupe du CEA, en lien avec plusieurs instituts en France et à l’étranger.

Les expériences de physique des particules sur les futurs collisionneurs linéaires à e-e+ nécessitent des progrès dans la résolution spatiale des détecteurs de vertex (jusqu’au micron), ceci afin de déterminer précisément les vertex primaires et secondaires pour des particules de grande impulsion transverse. Ce type de détecteur est placé près du point d’interaction. Ceci permettra de faire des mesures de précision en particulier pour des particules chargées de faible durée de vie. Nous devons par conséquent développer des matrices comprenant des pixels de dimension inférieure au micron-carré. Les technologies adéquates (DOTPIX, Pixel à Puit/Point quantique) devraient permettre une avance significative en reconstruction de trace et de vertex. Bien que le principe de ces nouveaux dispositifs ait été étudié à l’IRFU (voir référence), ce travail de doctorat devrait se focaliser sur l’étude de dispositifs réels qui devraient alors être fabriqués garce aux nanotechnologies en collaboration avec d’autres Instituts. Cela requiert l’utilisation de codes de simulation et la fabrication de structures de test. Les applications en dehors de la physique se trouvent pour l’essentiel dans l’imagerie X et éventuellement les cameras holographiques dans le visible.

L'un des projets de recherche les plus importants de ces dernières années est né d'une question critique et non résolue concernant l'origine naturelle des noyaux plus lourds que le fer. Dans les noyaux lourds, riches en neutrons, la théorie predits l’existence d'un îlots de stabilité atour des nombres de protons Z = 114, 120 ou 126 et le nombre de neutrons N = 184.
Cependant, les efforts récents pour synthétiser des éléments superlourds et explorer les noyaux riches en neutrons N = 126 se sont heurtés à des difficultés considérables en raison des sections efficaces extrêmement faibles des réactions traditionnelles de fusion-évaporation. Ces facteurs soulignent le besoin urgent d'une solution alternative pour la synthèse des éléments super-lourds.Ces facteurs soulignent l'urgence de trouver d'autres mécanismes de réaction. L'une d'entre elles a été identifiée dans les réactions de transfert de multinucléons (MNT), qui offrent une voie prometteuse vers les noyaux lourds riches en neutrons. Nous travaillons sur ce mécanisme de réaction depuis plusieurs années, en réalisant des expériences à l'Argonne National Laboratory et dans d'autres laboratoires internationaux. L'objectif de cette thèse est d'analyser les données recueillies lors de l'expérience que ont a réaliser à Argonne (fin 2023) et de proposer une nouvelle expérience au spectromètre Prisma (Legnaro National Lab) couplé avec le détecteur Agata.

La thérapie alpha ciblée (TAC) est une nouvelle méthode prometteuse pour traiter le cancer. Elle utilise des substances radioactives appelées radioisotopes émetteurs alpha, qui sont injectées dans le corps du patient. Ces substances se dirigent spécifiquement vers les cellules cancéreuses, ce qui permet de concentrer la radiation là où elle est le plus nécessaire, cest-à-dire près des tumeurs. Les particules alpha sont particulièrement efficaces car elles ont une courte portée et peuvent détruire les cellules cancéreuses de manière très ciblée.
Comme pour tout nouveau traitement, la TAC doit passer par des études précliniques pour vérifier son efficacité et la comparer à dautres traitements existants. Une partie importante de ces recherches se fait en laboratoire, où des cellules cancéreuses sont exposées à ces substances radioactives pour observer leurs effets, comme le taux de survie des cellules. Cependant, évaluer limpact des particules alpha nécessite des méthodes spécifiques, car leur comportement es

Cette thèse a pour but d’étudier les mécanismes de réaction menant à la synthèse de noyaux super-lourds en appui au programme de recherche expérimental qui sera développé auprès de l’installation S3 de Spiral2 au GANIL à Caen. Elle vise à renforcer la précision de la modélisation de la réaction en évaluant, grâce à l’analyse d’incertitudes, les expériences les plus prometteuses pour contraindre les paramètres et la modélisation.

Lune des principales activités de la physique nucléaire est létude des propriétés des noyaux exotiques jusquaux limites d’existence des noyaux, dans les régions où les rapports proton-neutron sont extrêmes (driplines proton/neutron) et aux nombres de masse A et atomiques Z les plus élevés. Les noyaux dits super-lourds ne peuvent exister au-delà de la limite établie par le modèle de la goutte liquide – définie par une barrière de fission qui disparaît –, que grâce aux effets en couches de la mécanique quantique. Ces noyaux sont particulièrement intéressants parce quils se situent à la limite entre la physique des petits systèmes à quelques corps et celle des systèmes à grand nombre de corps : les nombres magiques de protons et de neutrons, Z et N, sont remplacés par une région ou un îlot de magicité étendu en Z et N.

La synthèse de ces noyaux très- et super-lourds par des réactions de fusion-évaporation est un défi expérimental en raison des sections efficaces extrêmement faibles. La modélisation de la réaction complète afin de guider les expériences est également un défi difficile, car les modèles développés pour les noyaux plus légers ne peuvent pas être simplement extrapolés. Les réactions de fusion sont entravées par rapport à ce qui est observé avec les noyaux légers en raison de la très forte interaction Coulombienne, qui est renforcée par la forte répulsion causée par le grand nombre de charges positives (protons) dans le système, en concurrence avec la force dattraction forte (nucléaire) dans un régime hautement dynamique. Le pouvoir prédictif des modèles doit être amélioré, bien que lorigine du phénomène dentrave soit qualitativement bien comprise. Les ambiguïtés quantitatives sont suffisamment importantes pour observer des différences de quelques ordres de grandeur dans les probabilités de fusion calculées par différents modèles. Une petite modification de la section efficace pourrait nécessiter de nombreux mois pour réaliser des expériences réussies.

Au GANIL, en collaboration avec dautres instituts, nous avons développé un modèle qui décrit les trois étapes de la réaction de synthèse des noyaux super-lourds. Les développements futurs se concentreront sur la recherche de moyens dévaluer les modèles afin daméliorer leur pouvoir prédictif, notamment en concevant des expériences spécifiques afin de contraindre l’amplitude de lentrave à la fusion. Bien entendu, une analyse minutieuse de lincertitude permettra daméliorer le pouvoir prédictif des modèles. Des méthodes standard ainsi que des méthodes danalyse de données de pointe telles que lanalyse bayésienne peuvent être utilisées.

Ce travail de doctorat sera effectué en collaboration avec le groupe expérimental du GANIL et une équipe de recherche à Varsovie (Pologne). En fonction des compétences de létudiant, la thèse sera plus orientée vers des développements formels ou vers les expériences menées dans la nouvelle installation S3 sur Spiral2. La participation aux expériences est possible.

Les protons et neutrons sont constitués de partons (quarks et gluons) qui interagissent via la force forte, régie par la Chromodynamique Quantique (QCD). Si la QCD est calculable à haute énergie, sa complexité se révèle à basse énergie, nécessitant des contributions expérimentales pour comprendre les propriétés des nucléons, telles que leur masse et leur spin. L'extraction expérimentale des Distributions Généralisées des Partons (GPDs), qui décrivent les impulsions longitudinales et les positions transverses des partons dans les nucléons, fournit des informations cruciales sur ces propriétés fondamentales.
Cette thèse se concentre sur l’analyse des données du détecteur CLAS12, une expérience faisant partie de l'infrastructure de recherche du Jefferson Lab, l'un des 17 laboratoires nationaux aux États-Unis. CLAS12, un détecteur de 15 mètres de long à cible fixe et à grande acceptation, est dédié à la physique hadronique, notamment à l'extraction des GPDs. L'étudiant/e sélectionné/e étudiera la photoproduction exclusive du méson phi (gamma p -->phi p’), sensible aux GPDs des gluons, encore largement inexplorées. Il/elle développera un cadre pour étudier cette réaction dans le canal de désintégration leptonique (phi --> e+e-) et concevra un algorithme novateur basé sur des Graph Neural Network pour améliorer l'efficacité de détection des protons diffusés.
La thèse visera à extraire la section efficace de la photoproduction du phi et à l'interpréter en termes de distribution de masse dans les protons. Réalisé au Laboratoire de Structure du Nucléon (LSN), ce projet implique une collaboration internationale au sein de la collaboration CLAS, des voyages au Jefferson Lab pour la collecte de données, et des présentations lors de conférences. La maîtrise de la physique des particules, de la programmation (C++/Python) et de l’anglais est requise. Des connaissances de base en détecteurs de particules et en apprentissage automatique sont un atout, mais non obligatoires.

Une des questions phares dans le domaine de la structure nucléaire concerne l'émergence de collectivité, et son lien avec la structure microscopique du noyau. Les noyaux atomiques peuvent manifester des comportements dits collectifs, où tous leurs constituants, les protons et les neutrons, se déplacent ensemble, à une fréquence donnée. Il s’agit surtout aux vibrations et rotations. Si un noyau n’est pas déformé, il ne peut être mis en rotation lorsqu’on l’excite ; en revanche, il présente des vibrations autour de sa forme d’équilibre sphérique.
Les isotopes pairs de cadmium ont longtemps été des cas d’école du comportement vibrationnel. Cette interprétation a cependant été remise en question suite aux études expérimentales récentes, qui ont, avec l'aide des calculs théoriques, conduit à la réorganisation des schémas de niveaux du 110,112Cd en termes d’excitations rotationnelles, suggérant la présence d’une variété de formes dans ces noyaux.
Grâce à un récent travail de thèse dans notre groupe, cette nouvelle interprétation a été étendue au noyau du 106Cd. Cependant, il reste plusieurs questions concernant la nature des niveaux observés a basse énergie d’excitation dans ce noyau. De plus, nous avons obtenu des indications que certains états excites peuvent être liés au couplage entre les vibrations du type dit octupolaire (c’est-à-dire le noyau se déforme adoptant une forme de poire) et quadripolaire (le noyau oscille entre les formes allongées et aplaties). Pour vérifier cette hypothèse, une expérience de décroissance bêta de précision a été proposée à TRIUMF (Vancouver, Canada) avec le spectromètre le plus avancé au monde dédié aux mesures de décroissance bêta, appelé GRIFFIN, pour chercher les voies de désintégration faibles dans le schéma de niveaux du 106Cd, et déterminer sans ambiguïté les spins des états excites grâce à l'analyse de corrélations angulaires gamma-gamma. Cette mesure permettra de résoudre les diverses énigmes concernant la structure de ce noyau, notamment la triaxialité de son état fondamental et la coexistence de formes multiples.
L’étudiant sera en charge de l’analyse de cette expérience, qui sera réalisée en 2025. Ensuite, en s’appuyant sur les résultats de cette analyse, elle/il procédera à une réévaluation de sections efficaces de peuplement de niveaux excités dans le 106Cd, qui ont été mesurées avec le spectromètre gamma de nouvelle génération AGATA au GANIL en utilisant la technique d’excitation coulombienne. Grâce à cette combinaison de mesures, nous espérons d’obtenir, pour la première fois dans la charte de noyaux, l’ensemble complet de probabilités de transition entre les états résultant du couplage entre les vibrations du type octupolaire et quadripolaire. Nous procéderons ensuite a l'interprétation des résultats obtenus en collaboration étroite avec des théoriciens.
Ce travail de thèse permettra à l’étudiant de suivre un projet dans son ensemble, de la préparation de l’expérience jusqu’à son interprétation théorique, et de se familiariser avec plusieurs techniques expérimentales de spectroscopie gamma, en utilisant les spectromètres gamma les plus avancés au monde.

Les collisions dions lourds offrent une opportunité unique détudier le plasma de quarks et de gluons (QGP), un état exotique de la matière dans lequel les quarks et les gluons ne sont plus confinés dans les hadrons, et qui aurait existé quelques microsecondes après le Big Bang. Parmi les sondes clés pour létude du QGP figurent les quarks charmés. En effet, ces derniers conservent lhistoire de leurs interactions avec le QGP, les rendant essentiels pour comprendre les propriétés du QGP. La production de quarks charmés et leurs interactions avec le QGP sont étudiées à travers les mesures des hadrons, mésons et baryons contenant au moins un quark ou antiquark charm, tels que les mésons D0 ou les baryons Lambda_c. Cependant, le processus dhadronisation — la manière dont les quarks charm se confinent dans des baryons ou mésons incolores — reste encore mal compris.

Une approche prometteuse pour approfondir la compréhension de lhadronisation des quarks charmés réside dans la mesure de leur écoulement elliptique, une mesure de corrélations angulaires à longue distance, une signature des effets collectifs dus à la thermalisation du QGP. En comparant lécoulement elliptique des mésons D0 et des baryons Lambda_c, sensible aux propriétés du milieu créé, les chercheurs peuvent approfondir leurs connaissance sur le mécanisme dhadronisation des quarks charmés.

Pour mesurer cet écoulement elliptique, létudiant.e sélectionné.e développera une méthode innovante exploitant pleinement les capacités du détecteur LHCb. Cette méthode, jamais appliquée auparavant, permet une interprétation plus intuitive et théoriquement robustes des mesures découlement elliptique par rapport aux méthodes traditionnelles. Le/la candidat.e adaptera cette technique pour le détecteur LHCb afin de mesurer, comparer et interpréter lécoulement elliptique des baryons charmés Lambda_c et des mésons D0 dans les nouvelles données PbPb collectés par LHCb en 2024.

La réaction de fission est un processus violent au cours duquel un noyau lourd est divisé en deux composants, les fragments de fission. La distribution des fragments de fission produits est très large ; plus de 300 isotopes radioactifs différents peuvent être produits lors de la fission et leur désintégration radioactive est une question importante pour la manipulation et le stockage sûr du combustible nucléaire usé.
Le dispositif expérimental disponible au GANIL permet une identification précise et complète des fragments de fission, avant leur désintégration radioactive.
Une campagne expérimentale a été menée au VAMOS en 2024 pour étudier la fission de différents actinides produits dans des réactions de transfert de plusieurs nucléons, sur la base de la technique de cinématique inverse.
Les données obtenues constituent une référence importante pour les modèles nucléaires et les codes de simulation de la chaleur dégagée lors de la désintégration du combustible nucléaire usagé.
Ces données innovantes contr

Il est proposé d'étudier les effets saillants du couplage entre les états discrets et continus à proximité de divers seuils d'émission de particules en utilisant le modèle en couches dans le plan d'énergie complexe. Ce modèle fournit la formulation unitaire d'un modèle en couches standard dans le cadre du système quantique ouvert pour la description d'états nucléaires bien liés, faiblement liés et non liés. Des études récentes ont démontré l'importance de l'énergie de corrélation résiduelle du couplage aux états du continuum pour la compréhension des états propres, leur énergie et modes de désintégration, au voisinage du canaux de reaction. Cette énergie résiduelle n'a pas encore été étudiée en details. Les études de cette thèse approfondiront notre compréhension des effets structurels induits par le couplage au continuum et apporteront un support aux études expérimentales au GANIL et ailleurs.

La désintégration nucléaire à deux photons, ou double-gamma, est un mode de désintégration rare dans les noyaux atomiques, par lequel un noyau dans un état excité émet deux rayons gamma simultanément. Les noyaux pairs avec un premier état excité 0+ sont des cas favorables à la recherche dune branche de désintégration double-gamma, puisque lémission dun 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 lanneau de stockage dions lourds (ESR) au GSI pour rechercher la désintégration double-gamma dans plusieurs nucléides. Pour les atomes neutres, létat excité 0+ est un état isomérique à durée de vie plutôt courte, de lordre 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 nest donc pas possible. Si létat dintérêt est situé en dessous du seuil de création de paires, le processus IPC nest 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 létat fondamental. La désintégration des isomères est identifiée par la spectroscopie de masse Schottky résolue dans le temps. Cette méthode permet de distinguer lisomère et létat fondamental par leur temps de révolution (très légèrement) différent dans lESR, et dobserver la disparition du pic de lisomère 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 a été acceptée par le comité de programme du GSI et sa réalisation est prévue pour 2025.

La deuxième partie concerne lobservation directe des photons émis à laide 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 quen mesurant les photons eux-mêmes. Une expérience test a été réalisée pour étudier sa faisabilité et les plans dune étude plus détaillée devraient être élaborés dans le cadre du projet de doctorat.

L’interaction d’une antiparticule avec un noyau atomique est un type de réaction qu’il faut savoir simuler pour pouvoir répondre à des questions fondamentales. On peut citer comme exemples, la collaboration PANDA (FAIR) avec des faisceaux d’antiproton de l’ordre du GeV qui envisage l’étude des interactions nucléon-hypéron, ainsi que celle de la peau de neutron, par la production d’hypérons et d’antihypérons. Cette même peau de neutron est aussi étudiée avec des antiprotons au repos avec l’expérience PUMA (AD - Cern). Au même endroit nous collaborons avec l’expérience ASACUSA pour l’étude de la production des particules chargées. Pour répondre à ces études, notre code de réactions nucléaires INCL a été étendu aux antiprotons (thèse D. Zharenov soutenue fin 2023). Au-delà de l’antiproton il y a les antideutérons et antiHe-3. Ces antiparticules sont d’un intérêt plus récent, avec notamment lexpérience GAPS (General AntiParticle Spectrometer) qui vise à mesurer les flux de ces particules dans le rayonnement cosmique. L’idée est de mettre en évidence la matière noire, dont ces particules seraient des produits de décroissance, et dont la quantité mesurée doit ressortir plus facilement du bruit de fond astrophysique que dans le cas des antiprotons. Le sujet proposé est donc l’implantation des anti-noyaux légers dans INCL avec comparaisons à des données expérimentales.

L’expérience MORA recherche des signes de violation de CP dans la désintégration beta d’ions piégés polarisés. Elle emploie des techniques de pointe afin d’atteindre une sensibilité jamais atteinte pour la mesure de la corrélation D (10-4). Cette corrélation est sensible à une Nouvelle Physique qui pourrait expliquer l’asymétrie matière antimatière observée dans l’univers. La thèse consiste en l’analyse des données de la campagne qui se poursuit à Jyväskylä pour 23Mg+ et 39Ca+, en Finlande.