Thèse Développement du Détecteur Gazeux Cymbal et Étude de la Saturation de Gluons avec le Futur Collisionneur Electron-Ion 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 nucléaire - DRF/IRFU
Direction de la thèse : Audrey FRANCISCO
Début de la thèse : 2025-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59

Le futur collisionneur Electron-Ion (EIC), qui sera construit au Brookhaven National Laboratory (NY, USA), est une installation de nouvelle génération conçue pour explorer la structure interne des protons et des noyaux avec une précision sans précédent. Il permettra d'étudier la structure fondamentale de la matière en collisionnant des électrons polarisés avec des protons et des noyaux. Son objectif est de révéler comment les quarks et les gluons génèrent la masse, le spin et la structure de la matière visible, ainsi que d'étudier la saturation des gluons à faible Bjorken-x.

Le détecteur Micromegas CyMBaL (CYlindrical Micromegas Barrel Layers) est actuellement en cours de conception dans le cadre du système de trajectographie de la région centrale du premier appareil expérimental EIC, ePIC. Ce concept représente une approche innovante pour des détecteurs gazeux à haute granularité et faible masse, capables de fonctionner dans un environnement de collisionneur à haute luminosité.

Le projet de thèse proposé vise à développer, caractériser et optimiser le détecteur Micromegas CyMBaL et à évaluer ses performances dans l'environnement expérimental global de l'EIC. L'étudiant.e fera le lien entre développement de détecteur, caractérisation expérimentale et études de simulation orientées physique. La thèse abordera à la fois la R&D expérimentale sur le détecteur et les simulations physiques, structurées en trois objectifs principaux :
1. Caractériser et évaluer les performances des prototypes à échelle réelle
* Participer à la construction et à la mise en service des premiers prototypes CyMBaL Micromegas à taille réelle.
* Réaliser des tests détaillés en laboratoire et en faisceau pour mesurer l'efficacité, l'uniformité du gain, la résolution spatiale et temporelle, ainsi que la stabilité en conditions de taux de collisions élevé.
* Comparer les résultats avec des modèles de détecteur basés sur Geant4, afin de raffiner la compréhension des processus de transport de charge et d'amplification.
* Tester les performances du système complet en réalisant les premiers tests avec le nouvel ASIC SALSA, actuellement développé au CEA pour tous les détecteurs gazeux à micro-pattern utilisés dans l'expérience ePIC à l'EIC, en ajustant les paramètres de SALSA pour optimiser les performances du détecteur.

2. Évaluer les exigences de performance du détecteur via des simulations complètes
* Utiliser les frameworks logiciels de l'EIC pour intégrer le modèle du détecteur CyMBaL dans la géométrie complète de l'EIC.
* Évaluer l'efficacité de traçage, la résolution du vertex et la reconstruction de la quantité de mouvement dans des conditions réalistes.
* Les résultats des simulations de détecteur permettront d'affiner les performances attendues du CyMBaL en termes de résolution spatiale et temporelle afin de répondre aux objectifs physiques de l'EIC.

3. Simulations physiques sur la saturation des gluons
* Réaliser des simulations de collisions électron-proton (e+p) et électron-noyau (e+A) pour étudier la dynamique non linéaire de la QCD à faible-x.
* Un sujet d'analyse possible est l'étude des corrélations di-hadrons dans l'état final pour sonder les effets de saturation des gluons.
* Quantifier l'impact des performances du détecteur (résolution, acceptation, bruit) sur la capacité à extraire ces observables.

The Electron-Ion Collider (EIC), to be constructed at Brookhaven National Laboratory (NY, USA) is a next-generation facility designed to explore the inner structure of protons and nuclei with unprecedented precision. It will explore the fundamental structure of matter by colliding polarized electrons with protons and nuclei. Its goal is to reveal how quarks and gluons generate the mass, spin, and structure of visible matter, and to study gluon saturation at small Bjorken-x.
The Micromegas CyMBaL (CYlindrical Micromegas Barrel Layers) detector is currently being designed as part of the tracking system in the central region of the first EIC experimental apparatus ePIC. The concept represents an innovative approach to high-granularity, low-mass gaseous detectors capable of operating in a high-luminosity collider environment.

* Complete performance characterization of the first CyMBaL prototype.
* Validated simulation and analysis framework linking detector performance to physics sensitivity.
* Concrete design and parameter tuning recommendations for EIC integration and optimization.
* Contributions to EIC collaboration performance and readiness studies.
* Physics simulations of di-hadron correlation studies to probe gluon saturation effects and comparison with Color Glass Condensate (CGC) models.