Thèse Développement et Calibration des Détecteurs Cryogeniques pour la Mesure de la Diffusion Cohérente Élastique des Neutrinos Cenns 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 : Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie
Direction de la thèse : Stefanos MARNIEROS ORCID 0000000305582807
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-26T23:59:59

Depuis sa découverte expérimentale en 2017 par l'expérience COHERENT à Oak Ridge, la diffusion élastique cohérente des neutrinos sur les noyaux (CEvNS) est à l'origine d'un nombre croissant de projets visant l'étude détaillé de ce processus avec différents matériaux cibles. L'observation du CEvNS ouvre des perspectives vers une nouvelle physique au-delà du modèle standard avec des importantes implications dans les domaines des astroparticules et de la cosmologie. L'interaction cohérente des neutrinos avec les noyaux avait été envisagé dès 1974 par des physiciens, mais il a fallu attendre plusieurs décennies de développements expérimentaux sur les détecteurs pour mettre en évidence sa signature. La section efficace du CEvNS est largement amplifiée par l'interaction cohérente, et permet la détection des neutrinos avec des cibles beaucoup moins massives que celles utilisées par les expériences d'oscillation des neutrinos. Néanmoins, les événements CEvNS induisent des faibles dépôts d'énergie, et sont rares et difficiles à extraire du bruit de fond des détecteurs modernes. Les projets actuels et futurs sur le CEvNS devront relever deux importants défis expérimentaux : la réduction du seuil en énergie des détecteurs et la mise en place des méthodes efficaces de discrimination des événements du bruit de fond.

L'objectif de cette thèse est le développement et la calibration des détecteurs cryogéniques en Ge utilisant une innovation technologique permettant d'atteindre des performances très supérieures à l'état de l'art actuel, et d'explorer l'interaction CEvNS avec une très grande précision dans la gamme d'énergie de recul de 1 à 100 eV. Ces dispositifs seront capables de mesurer des événements produisant une seule paire électron-trou et vont par conséquent améliorer de plus d'un ordre de grandeur le seuil du signal ionisation actuellement atteignable dans un détecteur Ge. Ils seront en outre dotés d'une capacité de discrimination active entre les événements CEvNS produisant des reculs de noyaux dans le Ge, et les événements du bruit de fond de l'expérience qui, hormis les neutrons, produisent des reculs électroniques ou des événements non ionisants de basse énergie. Cette discrimination est possible grâce à la combinaison d'une mesure innovante du signal ionisation et d'une mesure calorimétrique de l'énergie déposée par la particule incidente (énergie de recul de l'électron ou du noyau dans le Ge).

L'exploitation très prometteuse de ces détecteurs pour le CEvNS nécessite une calibration du rendement d'ionisation pour des reculs nucléaires dans la gamme d'énergie de 1 eV à 1 keV. Cette calibration constitue un objectif important de la thèse proposée et se déroulera sur le dispositif expérimentale développé par le projet CRAB au réacteur TRIGA Mark-II à l'Atominstitut à Vienne. Une simulation préalable du fonctionnement du détecteur permettra de définir sa géométrie et d'optimiser son intégration dans le cryostat de l'expérience CRAB. Plusieurs détecteurs seront élaborés et testés à IJCLab afin de valider leur performances avant l'installation auprès du réacteur TRIGA.

Par ailleurs, dans le cadre de cette thèse nous envisageons aussi le développement de détecteurs à base des cristaux en Si, selon le même principe de mesure ionisation et chaleur. L'utilisation simultané des détecteurs Si et Ge à très bas seuil constituera un avantage stratégique pour l'étude de la diffusion cohérente élastique neutrino-noyau dans les années à venir.

L'IJCLab et le CEA-IRFU sont engagés depuis des nombreuses années dans le développement et calibration des détecteurs cryogéniques novateurs, et occupent un rôle essentiel au sein de projets internationaux d'envergure. Ils bénéficient d'un savoir-faire étendu dans le domaine de la détection cryogénique et ont mis en place des infrastructures pour la fabrication et les tests de détecteurs, assurant une grande flexibilité dans la mise au point de dispositifs innovants.

L'objectif de cette thèse est le développement de détecteurs cryogéniques massifs en Ge et Si, exploitant une technologie innovante de senseurs supraconducteurs. Cette approche vise à atteindre un seuil d'une paire électron-trou tout en minimiser le bruit de fond intrinsèque, particulièrement à basse énergie. La mise au point et la calibration de détecteurs capables de discriminer entre des événements interagissant avec les électrons ou les noyaux du semiconducteur Ge ou Si constituera un axe majeur de cette thèse.
Ce développement aboutira à l'élaboration des dispositifs cryogéniques de pointe pour l'étude des propriétés des neutrinos dans le cadre d'expériences visant l'étude de la diffusion cohérente élastique neutrino-noyau auprès de réacteurs nucléaires.

La thèse comportera une partie centrée au design et fabrication des détecteurs et une partie dédiée à l'acquisition et l'analyse des données obtenus par des calibrations à très basse température à IJCLab ainsi qu'au réacteur de recherche TRIGA à Vienne. Les détecteurs seront élaborés en utilisant des senseurs supraconducteurs de type TES (Transition Edge Sensors), réalisés par évaporation sous vide et structurés selon le design souhaité par le biais de techniques de micro-lithographie. Ces TES, capables de fonctionner en tant que calorimètres pour mesurer l'énergie déposée par des effets thermiques, seront également exploités pour mesurer précisément l'ionisation du germanium résultant des paires électron-trous créées par la particule incidente.
La mesure de l'ionisation d'un cristal semi-conducteur avec ces senseurs tire parti de la dissipation Joule des charges, générée le long de leurs trajectoires de collecte (effet Neganov-Trofimov-Luke).

L'étudiant(e) en thèse réalisera dans un premier temps les mesures bas bruit du détecteur à très basse température, leur analyse approfondie, et leur interprétation. Les résultats de ce travail d'analyse seront essentiels pour la modélisation des détecteurs et orienteront les choix lors de leurs optimisations successives.
L'étudiant(e) sera aussi fortement impliqué(e) dans l'installation et l'opération des détecteurs au réacteur TRIGA Mark-II à l'Atominstitut à Vienne qui permettra leur calibration directe à basse énergie, en particulier en ce qui concerne leur pouvoir ionisant concernant des particules neutres pour des dépôts d'énergie < 1 keV (facteur de quenching pour des reculs nucléaires).