Thèse Caractérisation et Compréhension du Low-Energy Excess dans les Détecteurs Cryogéniques de l'Expérience Nucleus Vers une Mesure de Précision de la Diffusion Cohérente des Neutrinos sur Noyaux H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation Laboratoire de recherche : Département de Physique des Particules Direction de la thèse : Matthieu VIVIER ORCID 0000000321990958 Début de la thèse : 2027-10-01 Date limite de candidature : 2027-03-01T23:59:59 Ce sujet de thèse s'inscrit dans le cadre de l'expérience NUCLEUS, installée au coeur de la centrale nucléaire de Chooz, dans les Ardennes, avec un objectif ambitieux : détecter et mesurer le processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN) auprès d'un réacteur nucléaire. Aux énergies du MeV, la DCNN est le mode d'interaction prépondérant des neutrinos avec la matière, mais les très faibles reculs nucléaires qu'elle produit l'ont longtemps rendue inobservable : elle n'a été mise en évidence qu'en 2017, soit 40 ans après sa prédiction, à l'accélérateur d'Oak Ridge aux USA. Sa mesure auprès d'un réacteur est un double défi : les reculs nucléaires produits, d'énergie de l'ordre de 100 eV, échappent aux détecteurs conventionnels, et les conditions de bruit y sont particulièrement défavorables.
Pour répondre à ces défis, la collaboration NUCLEUS développe des calorimètres cryogéniques : des cristaux de tungstate de calcium d'une masse totale d'environ 10 grammes, opérés à ~10 mK et lus par des thermomètres à transition supraconductrice (TES), atteignant des seuils de l'ordre de 10 eV. Ces détecteurs sont protégés des bruits de fond externes par un blindage cryogénique instrumenté complété d'un blindage radiologique et d'un véto muon à l'extérieur du cryostat, l'ensemble ayant été conçu et développé par notre équipe. Ces seuils ultra-bas ont toutefois révélé une nouvelle limite : un bruit de fond instrumental mal compris, surnommé « low-energy excess » (LEE), dont le taux croît exponentiellement sous le keV et masque le signal DCNN attendu. Observé par toutes les expériences de détection cryogénique à bas seuil, le LEE est aujourd'hui le principal facteur limitant la détection cryogénique des antineutrinos de réacteur, et sa compréhension constitue le fil conducteur de cette thèse.
Après une installation réussie en 2026, NUCLEUS est entrée dans une première phase de prise de données, appelée « run technique », utilisant un module de détection cryogénique simplifié. Elle sera suivie à l'horizon 2027 d'un « run neutrino », exploitant une version mise à jour du module intégrant un système de maintien des cristaux instrumenté, appelé inner veto, et développé à l'université technique de Munich. Au cours de sa thèse, le (la) doctorant(e) sera partie prenante de ces campagnes de prises de données et de leur analyse, en mobilisant l'ensemble des sous-détecteurs de l'instrument. Il s'agira d'une part de caractériser les bruits de fond particules au keV afin d'affiner le modèle Geant4 élaboré dans notre équipe, prérequis indispensable pour bien isoler les caractéristiques temporelles et énergétiques du LEE dans les événements reconstruits à basse énergie. Un second volet du sujet sera ensuite dédié à la caractérisation du LEE et à l'identification de son origine parmi les hypothèses actuelles (stress mécanique induit par le maintien des cristaux, relaxation de défauts cristallins), en comparant minutieusement les deux configurations du détecteur. Cette comparaison sera décisive pour éprouver l'hypothèse du stress mécanique et, le cas échéant, rejeter les événements associés. La confrontation de ces deux campagnes permettra ainsi de mieux cerner les paramètres expérimentaux qui modulent le taux d'événements LEE, et d'orienter la conception d'un nouveau détecteur minimisant ce bruit de fond. L'objectif est d'ouvrir la voie à une mesure de la DCNN auprès d'un réacteur avec une sensibilité de premier plan, avec des retombées pour l'étude du neutrino et la surveillance des installations nucléaires. Ce sujet de thèse s'inscrit dans un axe de recherche fondamentale en physique des neutrinos, plus particulièrement sur la thématique des neutrinos de réacteur. La diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN) y constitue un nouveau canal d'étude très prometteur : aux énergies du MeV, c'est le mode d'interaction prépondérant des neutrinos avec la matière, et sa section efficace, 10 à 1000 fois supérieure aux canaux usuels, pourrait en faire une sonde particulièrement efficace du neutrino. Sa mesure de précision auprès d'un réacteur reste toutefois à réaliser, car elle présente un double défi : les reculs nucléaires induits, d'énergie inférieure à la centaine d'eV, sont inaccessibles aux techniques de détection conventionnelles, et l'environnement d'une centrale impose des conditions de bruit de fond particulièrement défavorables.
L'expérience NUCLEUS, proposée conjointement par le CEA/Irfu et l'université technique de Munich (TUM), a été conçue pour relever ce défi. Elle développe un concept novateur de calorimètres cryogéniques à seuil ultra-bas, constitué de cristaux de tungstate de calcium lus par des thermomètres à transition supraconductrice, atteignant des seuils de l'ordre de 10 eV. L'ensemble est combiné à un système original de rejet des bruits de fond fondé sur plusieurs niveaux de blindages cryogéniques instrumentés, complétés d'un blindage radiologique et d'un véto muon développé au CEA/Irfu. La première phase de l'expérience consiste à déployer 10 grammes de détecteurs entre les deux coeur de la centrale de Chooz afin de démontrer la validité de ce concept et d'exploiter un premier programme de physique original, incluant des tests du modèle standard et la recherche de nouvelle physique à très basse énergie.
Ces seuils ultra-bas ont toutefois mis en évidence la limite principale de l'expérience : un bruit de fond instrumental mal compris, appelé « low-energy excess » (LEE), qui croît exponentiellement sous le keV, précisément là où le signal DCNN est attendu, et qui limite aujourd'hui la sensibilité à un signal neutrino. Observé par l'ensemble des expériences de détection cryogénique à bas seuil, ce phénomène est le principal verrou de la détection cryogénique des antineutrinos de réacteur. Sa compréhension et sa mitigation constituent le fil conducteur de ce sujet de thèse.
Caractériser et comprendre le low-energy excess:
- spectre en énergie, comportement temporel, dépendance aux conditions d'exploitation.
- identifier son origine parmi les hypothèses actuelles : stress mécanique induit par le maintien des cristaux, ou relaxation/réarrangement de défauts cristallins.
- déterminer les paramètres expérimentaux qui modulent son taux (via la comparaison des deux configurations du module de détection cryogénique en exploitation sur le centrale de Chooz).
La thèse s'appuiera sur l'exploitation conjointe de deux campagnes de prise de données successives de l'expérience NUCLEUS sur le site de Chooz, en mobilisant l'ensemble des sous-détecteurs de l'instrument, des calorimètres cryogéniques au véto muon. La première campagne, dite « run technique », opère un module de détection cryogénique simplifié, qui servira notamment à valider la stratégie de rejet des bruits de fond de l'expérience. La seconde, prévue fin 2027, exploitera une version mise à jour du module intégrant une mécanique instrumentée appelée inner veto, développée par nos partenaires de l'université technique de Munich.
Le travail débutera par la caractérisation des bruits de fond particules dans la région du keV, où le LEE contribue de manière négligeable. L'étudiant(e) exploitera les différents véto du système de détection pour identifier, séparer et analyser les composantes de ce bruit de fond, puis s'appuiera sur la simulation Geant4 développée par notre équipe pour affiner le modèle de prédiction aux basses énergies. Cet exercice est délicat, la librairie Geant4 étant peu fiable pour décrire les interactions rayonnement-matière en dessous de 10 à 100 keV. Disposer d'un modèle validé dans la région du keV est un prérequis indispensable pour isoler puis soustraire la composante particule résiduelle des spectres aux énergies les plus basses, là où le LEE domine.
Le coeur de la thèse sera ensuite dédié à la caractérisation du LEE et à l'identification de son origine parmi les hypothèses actuelles : stress mécanique induit par le système de maintien des cristaux, dont les relaxations brutales lors des cycles thermiques produisent des bouffées de phonons imitant un recul nucléaire, ou relaxation et réarrangement de défauts au sein du cristal. La comparaison des deux configurations du détecteur sera décisive : le run technique permettra de quantifier finement le phénomène dans un environnement à bruit de fond particule réduit, tandis que le run neutrino offrira une configuration modifiée pour éprouver l'hypothèse du stress mécanique et, le cas échéant, rejeter les événements associés. Cette confrontation permettra de mieux cerner les paramètres expérimentaux qui modulent le taux d'événements LEE, et d'orienter la conception d'un nouveau détecteur minimisant ce bruit de fond.
Ce travail pourra être enrichi de trois volets complémentaires. L'étudiant(e) pourra d'abord participer à l'installation, dans le cryostat de l'expérience, d'un blindage neutron supplémentaire au carbure de bore dont le concept a été proposé par notre équipe, après validation de son intégration mécanique et de sa thermalisation en cryostat de test. La thèse pourra également s'appuyer sur le projet CRAB, auquel notre équipe participe, qui développe une méthode d'étalonnage innovante des calorimètres cryogéniques aux reculs nucléaires via un banc de test cryogénique installé sur un réacteur de recherche de faible puissance à l'université technique de Vienne. Enfin, un programme plus exploratoire pourra être consacré à l'hypothèse des défauts cristallins, en testant de nouveaux protocoles de fabrication des cristaux (recuits thermiques, traitements par ultrasons ou par vibrations, traitements de surface) et en recherchant, à l'aide d'outils de diagnostic comme des mesures de diffraction X à haute résolution, une corrélation entre la densité de défauts cristallins et le taux d'excès mesuré.

- Formation en physique expérimentale, avec spécialisation en physique des particules et/ou physique nucléaire.
- Connaissances en physique des matériaux, notamment en cristallographie et en physique des défauts.
- Bonnes compétences en programmation: langages Python et éventuellement C++.