Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

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.

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.

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 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.