Thèse Caracterisation et Calibration de Detecteurs Cryogeniques a l'Echelle de 100 Ev pour la Detection de la Diffusion Coherente des Neutrinos H/F

Université Paris-Saclay GS Physique

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation
Laboratoire de recherche : Département de physique nucléaire - DRF/IRFU
Direction de la thèse : David LHUILLIER ORCID 0000000323240149
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59

L'expérience NUCLEUS cherche à détecter les neutrinos de réacteur via la diffusion élastique cohérente neutrino-noyau (CEvNS). Prédit en 1974 et mis en évidence pour la première fois en 2017, ce processus donne accès à des tests inédits du modèle standard à basse énergie.
Le dispositif expérimental de NUCLEUS est en cours d'installation auprès des réacteurs EDF de Chooz (Ardennes, France), sources intenses de neutrinos. Le seul signal physique d'un événement CEvNS est l'infime recul du noyau cible, avec une énergie très faible, inférieure à 1 keV. Pour le détecter NUCLEUS utilise des cristaux de CaWO4 d'environ 1 g, refroidis à 15 mK dans un cryostat. Le recul du noyau provoque des vibrations du réseau cristallin détectées par un capteur Transition Edge Sensor (TES) déposé sur le cristal. Cette technologie atteint des seuils de détection de l'ordre de ~10 eV. Le dispositif expérimental de NUCLEUS a été testé et validé en 2024 à TU-Munich et la prisse de données à Chooz commencera à l'été 2026, en même temps que la thèse. Une première contribution portera sur l'acquisition des données sur site réacteur et leur analyse. Plus spécifiquement, l'étudiant(e) sera en charge de la caractérisation des détecteurs cryogéniques en CaWO4 déployés : stabilité, résolution en énergie, calibration et bruit de fond intrinsèque au cristal.
La question de la calibration à l'échelle sub-keV est un point crucial des expériences de CEvNS (et de matière noire). Or jusqu'à présent il était très difficile de générer des reculs nucléaires d'énergie connue pour caractériser la réponse des détecteurs. La méthode CRAB répond à ce besoin en utilisant la réaction de capture de neutrons thermiques sur les noyaux constituant le détecteur. Le noyau composé résultant a une énergie d'excitation bien connue. Dans le cas où il se désexcite en émettant un seul photon gamma, l'énergie de recul du noyau est aussi parfaitement connue car donnée par la cinématique à deux corps. Ce gamma s'échappe facilement du détecteur, laissant le signal d'un reçu nucléaire calibré, dans la gamme recherchée de quelques 100 eV. Cette méthode à été validée par une première mesure réalisée avec un détecteur en CaWO4 de l'expérience NUCLEUS et une source de neutrons commerciale.
La deuxième partie de la thèse s'inscrit dans la phase « haute précision » de ce projet qui utilise un faisceau pur de neutrons thermiques du réacteur TRIGA-Mark-II à Vienne (TU-Wien, Autriche). Le dispositif expérimental a été installé et caractérisé avec succès cette année. Il consiste en un cryostat contenant les détecteurs cryogéniques à caractériser, entouré de larges cristaux de BaF2 pour une détection en coïncidence du recul nucléaire et du rayon gamma qui a induit ce recul. L'ensemble est placé directement sur l'axe du faisceau neutron. Cette méthode de coïncidence réduira significativement le bruit de fond et permettra d'étendre la méthode CRAB à un plus large domaine d'énergie et aux matériaux constitutifs de la plupart des détecteurs cryogéniques. Nous attendons de ces mesures une caractérisation unique de la réponse des détecteurs cryogéniques, dans un domaine d'intérêt pour la recherche de la matière noire légère et la diffusion cohérente de neutrinos.
L'arrivée en thèse de l'étudiant(e) coïncidera avec la finalisation du programme de mesure sur les détecteurs en CaWO4 et Al2O3 de NUCLEUS et avec le début du programme de mesures sur le Ge (détecteur du projet TESSERACT) ainsi que sur le Si (détecteur du projet BULLKID).
La haute précision permettra également l'ouverture d'une fenêtre de sensibilité à des effets fins couplant de la physique nucléaire (temps de désexcitation du noyau) et de la physique du solide (temps de recul du noyau dans la matière, création de défauts cristallins lors du recul d'un noyau).
L'étudiant(e) sera fortement impliqué dans tous les aspects de l'expérience : la simulation, l'analyse et l'interprétation des résultats obtenus.

La technologie de détecteurs cryogéniques est portée par les communautés matière noire et neutrino. L'expérience NUCLEUS est leader dans le développement de détecteurs à très bas seuils (20 eV) avec le canal phonons lu par Transition Edge Sensor, pour la détection de neutrinos de réacteur via le processus de diffusion cohérente.
La calibration et la compréhension détaillée de la réponse des bolomètres sont en retard sur ces progrès instrumentaux. Le projet CRAB a un potentiel unique pour combler ce manque ce qui lui donnera une forte visibilité.

1ere partie de thèse : La première phase de l'expérience NUCLEUS a pour objectif de valider les performances intrinsèques des détecteurs cryogéniques et le niveau de réjection du bruit de fond.
2e partie de thèse : développement de la méthode CRAB sur le site de Vienne; Etablir une calibration absolue de haute précision pour différents matériaux de détecteurs (Al2O3, CaWO4, Ge et Si) et différentes technologies (lecture en phonons et en charge); Extension vers des tests de physique nucléaire et de physique du solide.

L'analyse des données des détecteur cryogéniques se fera à l'aide du code python CAIT, basé sur un traitement du signal par la méthode de l' « optimum filter ».
Le traitement des signaux des détecteurs gamma pour l'analyse en coïncidence des événements CRAB sera développé dans le cadre de l'expertise du DPhN pour ce genre de détecteurs.
L'extraction des pics de calibration fait appel à diverses analyses statistiques et techniques d'ajustement par maximum likelihood.
Les résultats seront confrontés à une chaîne de simulation élaborée en collaboration entre le Département de Physique Nucléaire (DPhN) et l'Institut des Sciences Appliquées et de la Simulation (ISAS). Cette chaîne de simulation permet une description fine des reculs de noyaux dans les bolomètres pour exploiter au mieux le potentiel des données CRAB.