The predictivity of the Standard Model (SM) of particle physics remains unchallenged by experimental results. After the tantalizing discovery of the Higgs boson at LHC, the measurements of properties such as its mass, spin, parity and its couplings with other SM particles have confirmed its SM-like nature. This goes hand in hand with the absence of direct signs of TeV physics beyond the SM from current direct searches.

Indeed, the excellent performance of the LHC in terms of delivered luminosity allowed the ATLAS and CMS experiments to set stringent limits on new particle masses well beyond the EW scale, thus worsening the naturalness problem. If the new physics scale lies well above the present experimentally probed energies, one would be left with the only experimental perspective of searching for deviations within the LHC precision measurements, and with no solid theoretical explanation of why the new physics should be so unnaturally heavy. There is, however, another logical possibility: new physics may be hidden at lower energies although weakly coupled to the SM known particles, so that its signals could be swamped in the SM background.

To process the enormous amount of data provided by the LHC, ATLAS uses an advanced ?trigger? system to tell the detector which events to record and which to ignore. The ATLAS trigger is a two-level system composed of the first level, Level 1 (Level-1) trigger implemented in custom hardware, and High Level Trigger (HLT) which relies on selections made by algorithms implemented in software. The trigger is designed in such a way that an initial rate of collisions of 40 MHz is decreased to about 100 kHz after L1 and further decreased to 3 kHz at the HLT. This is a harsh limit on the possibility of recording low energetic events, swamped by high rate background, where signal of new physics could be hidden.

The Phase-I ATLAS Level-1 calorimeter trigger consists of a series of upgrades in order to face the challenges posed by the Run 3 LHC luminosity. The trigger upgrade benefits from new front-end electronics for parts of the calorimeter that provide the trigger system with digital data with a tenfold increase in granularity. This makes possible the implementation of more efficient algorithms to maintain the low trigger thresholds at much harsher LHC collision conditions.

The candidate will work on phenomenological aspects, aimed at characterizing the relevant BSM models that can produce low mass signatures and to define a trigger strategy that could maximize the sensitivity of ATLAS searches for this signal in the years to come.

The last piece of the standard model of particle physics, the Higgs boson, was discovered by the ATLAS and CMS collaborations in 2012. The newly discovered boson provides a unique possibility to search for new unknown physics beyond the standard model. The ATLAS group at CPPM had a leading role in detecting and studying the Higgs boson properties in several of its production and decay modes. The group is currently concentrating on the detection of the production of two Higgs bosons or two scalar bosons, a process that was never observed before.

This internship will concentrate on the study of the production of a scalar boson with a Higgs boson decaying to a pair of photons and a pair or b-quarks. The detection of such process is a strong proof of the existence of new physics and of the modification of the electroweak symmetry breaking as described by the standard model. The run 3 of the LHC, currently in operation, will provide enough data (in combination with previous data) to improve the discovery potential of such process. The analysis of the run 3 data is being prepared now by a group of several institutes around the world that collaborate at CERN. The successful candidate will work within this collaboration and will take part of preparing and studying simulation samples that describes this physics process. The candidate will work within a team of three researchers and one PhD student at CPPM. He/she will analyze the kinematic and topological distributions of simulated events in order to validate the simulation and improve the selection of signal events and separate them from background. Prior knowledge of programming language especially C++/root or python is an advantage but is not mandatory.

Being forbidden in the Standard Model (SM) of particle physics,lepton flavor violating decays are among the most powerful

probes to search for physics beyond the SM. In view of the recent anomalies seen by LHCb on tests of lepton flavor

universality in $b \to s \ell \ell$ and $b \to c\ ell \nu$ processes, the interest of tau lepton flavor violating

decays has been greatly reinforced. In particular, several new physics models predict branching

fractions of $\tau \to \ell V^{0}$ and $\tau \to \ell \ell \ell$ just below the current experimental limits.

The Belle II experiment located at KEK, Japan, has started the physics data taking in 2019, and is aiming at

50 times more data than its predecessor. Thanks to its clean environment and high $\tau^+ \tau^-$ cross section,

it provides an ideal environment to study tau decays. The CPPM group searches for lepton flavour violating $\tau$ decays,

such as $\tau^{\pm} \to \ell^{\pm} V^{0}$ or $\tau^{\pm} \to \ell^{\pm} \ell^{\mp} \ell^{\pm}$ , with V0 being a neutral vector meson and

$\ell^{\pm}$ an electron or muon.

The goal of this internship is to develop and use a Graph Neural Network (GNN) to reject background events.

Other architectures and implementations could be studied as well. The candidate will prepare data for training samples,

get familiar with the GNN, assess its performances and explore various formulation of the problem and different architectures.

The final objective is to use the GNN in the analyses of the channels studied in the group.

This internship can be continued with a PhD thesis.

Application including a CV, grade records and a motivation statement should be sent to giampi@cppm.in2p3.fr and serrano@cppm.in2p3.fr.

References:

https://arxiv.org/abs/1808.10567

https://hflav-eos.web.cern.ch/hflav-eos/tau/spring-2017/lfv-limits-plot.html

https://arxiv.org/abs/1903.11517

https://arxiv.org/pdf/1806.05689.pdf

https://arxiv.org/abs/2208.14924

La matière noire est une des grandes énigmes actuelles de la physique fondamentale. En effet, sa contribution supposée à la masse totale de l'Univers est de 85% mais elle ne peut être expliquée dans le cadre du Modèle Standard de la physique des particules (MS). Plusieurs candidats existent cependant dans les théories au-delà du MS~: c'est le cas du WIMP (weakly interacting massive particle), un des candidats les mieux motivés car il permet de résoudre le problème de stabilité de la masse du boson de Higgs dans le MS.

Les expériences recherchant directement la matière noire utilisent le halo de matière noire entourant notre galaxie comme source potentielle de WIMPs. Depuis 2010, la technologie de détection la plus performante repose sur la mesure de la lumière de scintillation qui serait émise lors de la diffusion d'un WIMP sur un atome de liquide noble – argon ou xénon. L'expérience DarkSide-20k (DS-20k) est en cours d'installation à 1,4~km sous terre au laboratoire du Gran Sasso en Italie. Elle utilisera une chambre à projection temporelle (TPC) remplie de 50 tonnes d'argon purifié et équipée de 200~000 photomultiplicateurs au silicium (SiPMs). Cela lui permettra d'avoir l'un des meilleurs potentiels de découverte des WIMPs au niveau mondial après quelques années de prise de données. La phase actuelle est consacrée à la construction du détecteur, commencée il y a un an. La prise de données est programmée pour 2027. L'augmentation du volume d'argon liquide par rapport aux expériences précédentes permettra à DS-20k d'avoir la meilleure sensibilité de tous les détecteurs à argon liquide avec seulement un mois de données.

Le stage proposé s'attache à la préparation de la prise de données. Une fois la lumière collectée par les SiPMs il faut reconstruire l'information pour en extraire par exemple la position de la collision dans le volume de la TPC et l'énergie associée. L'étudiant·e participera à la simulation et à l'amélioration des algorithmes de reconstruction des données en utilisant des techniques basées sur l'apprentissage automatique (par exemple avec des réseaux de neurones), afin d'optimiser la séparation du signal et du bruit de fond. Il est également envisagé de participer à l'analyse des données de calibration prises avec des petits détecteurs de neutrons en décembre 2023, afin d'affiner l'analyse des performances de DS-20k. Ces activités permettront de se familiariser avec les aspects instrumentaux, logiciels et analyse de données d'une expérience de physique des particules.

Ces études pourront être approfondies dans le cadre d'une thèse (déjà financée par l'Agence Nationale de la Recherche)~: https://www.cppm.in2p3.fr/web/fr/emplois_stages/th%C3%A8se/#Doctorat-2427-DS-01

Plus de détails sur le groupe Matière Noire du CPPM~: https://www.cppm.in2p3.fr/web/fr/recherche/physique_particules/#Mati%C3%A8re%20Noire

The origin of galactic cosmic rays is one of the main open questions in high energy astrophysics. PeVatrons are objects capable of accelerating particles up to the PeV (=1015 eV) energies and are therefore considered the galactic cosmic ray accelerators. The principal signature of PeVatrons is ultrahigh-energy (exceeding 100 TeV) gamma radiation. The search for PeVatrons has recently been boosted by the discovery of several ultrahigh energy gamma-ray sources by the Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) [1].

Recently, the Supernova Remnant (SNR) G106.3-2.7 has been indicated as a highly promising PeVatron candidate [2]. In fact, G106.3-2.7 emits gamma-rays up to 500 TeV from an extended region (~0.2o) well separated from the SNR pulsar (J2229+6114) and in spatial correlation with a local molecular cloud.

The CTA (Cherenkov Telescope Array) is a worldwide project to construct the next generation ground based very high energy gamma ray instrument. CTA will use tens of Imaging Air Cherenkov Telescopes (IACT) of three different sizes (mirror diameter of 4 m, 12 m and 23 m) deployed on two sites, one on each hemisphere (La Palma on the Canary Islands and Paranal in Chile). The observatory will detect gamma-rays with energy ranging from 20 GeV up to 300 TeV by imaging the Cherenkov light emitted from the charged particle shower produced by the interaction of the primary gamma ray in the upper atmosphere [3,4].

The CTA observatory completion is foreseen in 2025 but the first Large-Sized Telescope (LST1) is already installed and taking data in La Palma.

While the LST1 telescope cannot reach enough sensitivity to access energies above 100 TeV, it can provide precise angular resolution data for establishing the spectral morphology of this exciting PeVatron candidate in the 1-50 TeV energy region. Observations of G106.3-2.7 have started in 2022 and are presently on-going.

By using the Instrument Response Functions of the LST1 telescope, that have been recently determined within the CPPM group, the student will simulate the G106.3-2.7 source considering different morphological and spectral models based on recent phenomenological studies. The first goal will be to identify the capability of LST1 in determining the morphology of the source. Subsequently the simulated energy dependent sky maps will be compared to first observations with LST1 and this work will help to guide the data analysis and interpretation of these first early science data.

The student will use the official science tool of CTA (gammapy [5]) written in Python. The candidate should therefore have basic knowledge of Python programming.

This internship can eventually be continued with a PhD thesis.

References:

[1] Cao, Z., Aharonian, F.A., An, Q. et al. Ultrahigh-energy photons up to 1.4 petaelectronvolts from 12 ?-ray Galactic sources. Nature 594, 33–36 (2021).

[2] Z. Cao et al. Nature, 594, 33–36 (2021); M. Amenomori et al. Nature Astronomy, 5, 460–464 (2021)

[3] https://www.cta-observatory.org/

[4] Science with the Cherenkov Telescope Array: https://arxiv.org/abs/1709.07997

[5] https://docs.gammapy.org/1.1/

The CTA (Cherenkov Telescope Array) is a worldwide project to construct the next generation ground based very high energy gamma ray instrument [1]-[2]. CTA will use tens of Imaging Air Cherenkov Telescopes (IACT) of three different sizes (mirror diameter of 4 m, 12 m and 23 m) deployed on two sites, one on each hemisphere (La Palma on the Canary Islands and Paranal in Chile). The observatory will detect gamma-rays with energy ranging from 20 GeV up to 300 TeV by imaging the Cherenkov light emitted from the charge particle shower produced by the interaction of the primary gamma ray in the upper atmosphere.

The unconventional capabilities of CTA will address, among others, the intriguing question of the origin of the very high energy galactic cosmic rays by the search of galactic sources capable of accelerating cosmic rays up to the PeV, called PeVatrons. Recently, the Supernova Remnant (SNR) G106.3-2.7 has been indicated as a highly promising PeVatron candidate [4]. In fact, G106.3-2.7 emits gamma-rays up to 500 TeV from an extended region (~0.2o) well separated from the SNR pulsar and in spatial correlation with a molecular cloud.

The CTA observatory completion is foreseen in 2025 but the first large size telescope (LST1) is already installed and taking data in La Palma. LST1 is placed very close to the two MAGIC telescopes [3], which are one of the presently active IACT experiments. This configuration permits to perform joint observations of the same source with the three telescopes LST1+MAGIC. Joint acquisition not only increases the effective detection area but also improves the energy and angular resolution, thanks to the enhanced stereo data. While the LST1+MAGIC telescopes cannot reach enough sensitivity to access energies above 100 TeV, they can provide exclusive and unprecedented data for establishing the spectral morphology of this exiting PeVatron candidate in the 100 GeV-100 TeV energy range. A campaign of joint observations of G106.3-2.7 will start in 2022.

This internship concerns the setup of the reconstruction chain for G106.3-2.7 on the base of Monte Carlo data. In order to maximise the effective area at very high energy, G106.3-2.7 observation will be performed at large zenith angle (62o-70o), which is a challenging detection condition and asks to perform a preliminary verification of the detection performances. The student will first estimate the expected “Instrument Response Function” with the standard LST1 reconstruction [5], using the mono telescope approach. Then, s/he will estimate the performance of the MAGIC + LST1 stereo reconstruction with the joint reconstruction pipeline [6], presently under development. Eventually, the student will simulate the signal expected from the source with the two configurations.

The candidate needs a medium knowledge of the python programming language.

Candidates should send their CV and motivation letter as well as grades (Licence, M1 as well as their M2 if available) to cassol@cppm.in2p3.fr

A PhD contract can eventually follow the internship, it will be centred on the analysis of real data from G106.3-2.7, acquired in 2022 and the following years.

References:

[1] Science with the Cherenkov Telescope Array: https://arxiv.org/abs/1709.07997;

[2] https://www.cta-observatory.org/

[3] MAGIC Collaboration, Aleksi?, J. et al. Astropart. Phys. 72 (2016) 76–94.

[4] Z. Cao et al. Nature, 594, 33–36 (2021); M. Amenomori et al. Nature Astronomy, 5, 460–464 (2021)

[5] https://github.com/cta-observatory/cta-lstchain

[6] https://github.com/cta-observatory/magic-cta-pipe

KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) est un

télescope à neutrinos actuellement en construction à une profondeur de 2500m dans le Mer Méditerranée au large de Toulon. ORCA est optimisé pour la détection de

neutrinos atmosphériques de faible énergie (3-100 GeV) et permettra des études de précision des propriétés d'oscillation des neutrinos. ORCA fait partie de l'infrastructure de recherche multi-sites KM3NeT, qui intègre également un deuxième réseau de télescopes (en Sicile) optimisé pour la détection des neutrinos cosmiques de haute énergie.

Les premières lignes de détection ORCA fonctionnent depuis plus d'un an et fournissent des données de haute qualité. Au cours de cette stage, l'étudiant appliquera des techniques d'apprentissage automatique à l'analyse des données dans le but d'améliorer les résolutions angulaires et énergié des algorithmes de reconstruction d'événements actuels. Il est prévu que le candidat suive cette stage avec un doctorat sur la mesure des paramètres d'oscillation des neutrinos.

Links:

http://antares.in2p3.fr

http://www.km3net.org

http://www.cppm.in2p3.fr/rubrique.php3?id_rubrique=259

Stage d'initiation à la Recherche :

Contexte :

Analyse des spectres Gamma issues d'un détecteur HPGe fabriqué par la société Canbera, installé à 2400 mètres de profondeur au Laboratoire Sous-marin Provence Méditerranée (LSPM).

Situation de départ :

Le détecteur Germanium est fonctionnel et le logiciel d'analyse des données sont disponibles.

Objectifs :

Analyser les données issues du détecteur pour identifier des anomalies dans les spectres gamma en fonction du temps. Etudier la cohérence des données.

Moyens :

Banc de mesure, logiciel d'analyse des données et formation en interne.

Principales étapes de l'étude :

1) Introduction au contexte scientifique de l'expérience LSPM.

2) Introduction à la spectroscopie gamma avec des spectromètres Ge.

3) Prise en main et formation au logiciel d'analyse des données issues du

détecteur.

4) Acquisition des mesures.

5) Analyse des données issues du détecteur avec le logiciel et recherche

des résultats intéressants (anomalies, irrégularités ….).

6) Rapport sur les résultats obtenus.

L'étudiant(e) sera intégré(e) dans l'équipe LSPM pour travailler en collaboration avec des Chercheurs, des Enseignants-Chercheurs et des Ingénieurs.

Doing neutrino astronomy is a long quest in astroparticle physics. IceCube and ANTARES have found the first evidences of a few neutrino sources, mainly related to blazars (active galactic nuclei with their jets posting toward the Earth) and tidal disruption events. Most of those explosive events can release enormous amounts of energy both in electromagnetic radiation and in non-electromagnetic forms such as neutrinos and gravitational waves. This is at the basis of multi-messenger astronomy.

KM3NeT, the second generation neutrino detectors in the Mediterranean Sea, is in construction. It is taking data with a sensitivity much larger than ANTARES in the whole energy range, from GeV to PeV thanks to the complementarity of the 2 detectors: ORCA and ARCA. Already with the 30-40 detection units in operation, KM3NeT has significant better performances, either in term of effective area or in term of angular resolution.

In CPPM, we are mainly working on the implementation of multi-messenger analyses with high-energy neutrinos detected with ANTARES and KM3NeT neutrino telescopes. In this context, we are developing an analysis framework that is able to receive and process a time and spatial correlation analysis with high-energy neutrinos in coincidence with selected potential external triggers. Those analyses can be performed in real-time or offline including the most refined knowledge of the detector. In the last years, IceCube has provided alerts from selected high-energy neutrinos, and for some of them, a bright blazar has been located in the error box of the neutrino and found in active state with concomitant multi-wavelength observations.

During this internship, the student will perform an optimised analysis of the KM3NeT data for those interesting associations. It consists of the development of a neutrino selection based on the outputs of the event reconstructions and the event topology classifiers. This selection can be made with machine learning tools. After the event selection, the student will implement the correlation analysis.

This internship can be continued with a PhD in our group on the multi-messenger analyses with KM3NeT.

The analyses will be performed using C++ or python.

KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) is a deep sea neutrino telescope currently under construction at a depth of 2500m in the Mediterranean Sea off the coast of Toulon. ORCA is optimised for the detection of atmospheric neutrinos in the energy range 3-100 GeV and will allow precision studies of neutrino properties. Currently the detector takes data with 11 detection strings hosting more than 6000 photomultiplier tubes.

During this internship at the Centre de Physique des Particules de Marseille, the student will analyse data taking with the ORCA detector in the period 2020 to 2022. The goal is to obtain detector response functions for neutrinos in the relevant energy range and to derive sensitivities for the observation of sterile neutrinos. Software tools which have been developed at CPPM will be used.

Links:

http://www.km3net.org

http://www.cppm.in2p3.f/rubrique.php3?id_rubrique=259

The Neutrino Team at CPPM is strongly involved in the KM3NeT/ORCA neutrino telescope, under construction in the abyss (-2500m) of the Mediterranean sea, 40km offshore Toulon. The first detection units that have been deployed are successfully collecting data. The detector is now large enough to access yet unexplored physics territories. A very exciting topic is the search for tau neutrinos appearing in the neutrino flux created in the collisions of cosmic rays in the atmosphere. The appearance probability is poorly known and KM3NeT/ORCA has a unique potential to measure it. Such measurements could lead to a major discovery regarding the existence of sterile neutrinos.

One of the keystones for these studies is the tag of the neutrino flavours (electron, muon, or tau); hence, in this project, the student will develop Machine Learning algorithms to perform this kind of identifications. The expected skills are to master the basics of neutrino oscillation and to program in python, c++, ROOT.

Doing neutrino astronomy is a long dream in astroparticle physics. IceCube and ANTARES have found the first evidences of a few neutrino sources, mainly related to blazars (active galactic nuclei with their jets posting toward the Earth) and tidal disruption events. For most of those explosive events can release enormous amounts of energy both in electromagnetic radiation and in non-electromagnetic forms such as neutrinos and gravitational waves. This is at the basis of multi-messenger astronomy. KM3NeT, the second generation neutrino detectors in the Mediterranean Sea, will have significant better performances, either in term of effective area or in term of angular resolution.

In CPPM, we are mainly working on the development of multi-messenger analyses with high-energy neutrinos detected with ANTARES and KM3NeT neutrino telescopes. In this context, we are developing a real-time analysis framework that is able to send neutrino alerts and to receive and process a cross-match analysis with high-energy neutrinos in coincidence with selected potential external triggers.

During this intern ship, the student will implement a neutrino selection module that takes in inputs the reconstructed and classified neutrino streams. To reach a sustainable false alert rate (1-2 per month), It will be necessary to filter on the topology of the events, the multiplicity, the energy and the estimate of the reconstruction error. The student will have to implement such module based on machine learning tool.

The analyses will be performed using C++ or python.

Description

Deadline to apply: December 30th

Scientific Context

According to modern physics, matter should not have emerged from the Big Bang and its origin remains one of the most profound riddles in fundamental physics. The heart of this mystery is the CP symmetry, i.e. the fact that the laws of physics are the same for matter and anti-matter. During the Big Bang, this symmetry should have maintained particles and anti-particles in equal quantities while they were gradually annihilating each other leaving, at the end, nothing but pure energy. The existence of matter thus requires the CP symmetry to be violated, which is one of the so-called Sakharov conditions (Sakharov, 1967).

The works awarded by the 2015 Nobel Prize imply that neutrino physics can break this symmetry via a quantum phenomenon called neutrino oscillations. Neutrinos can be produced in three types – or flavors – the electron neutrino ( $\nu_{e}$ ), the muon neutrino ( $\nu_{\mu}$ ) and the tau neutrino ( $\nu_{\tau}$ ). Experimental evidence showed that the flavor of neutrinos oscillates when they propagate. In theory, this oscillation can be different for neutrinos and anti-neutrinos which would break the CP symmetry. Discovering such an effect would be a major breakthrough in fundamental physics. Intense experimental efforts (Acciarri at al., 2015; Abe et al., 2018) are thus ongoing worldwide to study the neutrino oscillations. However, the experimental techniques used so far are reaching their limits (Branca, et al., 2021). New techniques are thus urgently needed. The goal of this Master 2 project is to design such a new technique: the neutrino tagging (Perrin-Terrin, 2022).

Neutrino Tagging

At accelerator-based experiments, neutrinos are produced by colliding protons on a target. These collisions produce secondary particles, in particular, $\pi^+$ and $\pi^-$ , which decay as $\pi^+ \to \mu^+ \nu_\mu$ and $\pi^- \to \mu^- \bar\nu_\mu$ and so produce a $\nu_\mu$ and anti-$\nu_\mu$ beam. The optimal propagation distance to observe the neutrino oscillations depends on the neutrino energy and ranges between 100~km to 1000~km. A neutrino detector consisting of an instrumented target is installed at this distance to measure the neutrino flavor and energy. Conventionally, the neutrino characteristics are measured from their interaction in a densely instrumented detector, as shown in Fig 1-(left). The complexity of the interaction mechanisms induces strong limitations on the precisions of the energy measurements.


The tagging technique (Perrin-Terrin, 2022) proposes to determine the neutrino characteristics using the production mechanisms, as shown in Fig 1-(right). These mechanisms, the $\pi \to \mu \nu$ decays, are extremely simple processes. Hence, once the $\pi$ and $\mu$ characteristics (time, momentum, charge: t,p,±) are measured, a simple kinematical relation allows to derive precisely the neutrino characteristics. For example, while the precision of the neutrino energy measurement based on the interaction plateaus at about 15%, the one of the tagging can easily reach 1%. In these conditions, the only task left to the neutrino detector is to identify the flavor of the neutrino after propagation. These relaxed requirements allow to use seawater neutrino detectors such as KM3NeT/ORCA (Adrian-Martinez et al., 2016) under construction at a depth of 2450~m offshore Toulon. These detectors are extremely large (several Mton) which increases the probability for neutrinos to interact in them. The key element of the technique is the tagger, i.e. the detector based on which the neutrino properties are estimated. The tagger will be composed of several planes of cutting-edge high time precision silicon pixel detectors (Lai, 2018) able to sustain the extremely high rate of particles in the beam line: 1012 per second! A proof-of-concept of this technique is being performed using the NA62 experiment (Cortina Gil at al., 2017) at CERN as a miniature neutrino experiment (Martino, 2022).

Objectives of the Project

The project aims to co-design the detector layout (time resolution, number of planes and location etc.) and the algorithms to estimate the neutrino characteristics. Achieving this objective will require to:

• design a statistical model describing the physical setup,
• develop a simulation of the detector,
• calculate the optimal performance bounds,
• optimize the detector setup based on the calculated bounds,
• test/apply the model and bounds to NA62.

Working Environment

The student will be based at IM2NP, located at the La Garde campus in Toulon, or/and at CPPM located in the Luminy campus in Marseille, at the entrance of the Parc National des Calanques. Both places are located near remarkable natural sites and offer pleasant working and living conditions.

The student will integrate the Signal And Tracking (STr) Team of IM2NP and the Neutrino team of CPPM. The STr team is composed of ~10 people who are specialized in applied statistics and signal processing for different domains (astrophysics, optics, RADAR, SONAR, LIFI, etc. (Roueff, Arnaubec, Dubois-Fernandez, Refregier, 2011; Roueff, et al., 2020; Roueff, Roux, Réfrégier, 2009)). The team at CPPM is composed of ~30 people, researchers, postdocs, PhD students, engineers and technicians with a large panel of skills and working on the construction and exploitation of the KM3NeT detectors. A PhD student is also working on the proof-of-principle of the neutrino tagging technique at NA62.

The student will be involved in a dynamic international team. The project will be developed in close collaboration with CERN. Indeed, the tagger studied in this project is meant to be installed in the neutrino beam line that CERN has started to study to for the tagging. Regular video-conference meetings which CERN collaborators will be held during the project, and short trips to CERN for in-person meetings can also be envisaged.

The last step of the project (application and test at NA62) will be done in collaboration with several members of the NA62 experiment at University of Birmingham (UK), Ecole Fédérale Polytechnique de Lausanne (Switzerland) and in Université Catholique de Louvain (Belgium) who are all actively contributing to the proof-of-principle of the neutrino tagging technique.

Student Profile

We are seeking for a highly motivated student who could consider continuing this work for a PhD thesis. The student should ideally have:

• basic knowledge of experimental particle physics,
• skills in applied statistics,
• previous experience in machine learning techniques using c/c++, matlab or python,
• oral and written proficiency in English and French.

Application Procedure

The student interested in applying for the internship must provide:

• CV
• Motivation letter
• Grades from M1
• Available grades from M2
• Desired internship duration
• Desired internship starting date (optional)
• Reference letter or reference contact (optional)

This information should be sent to antoine.roueff@univ-tln.fr and mathieu.perrin-terrin@cern.ch before December 30th. Interviews will be conducted beginning of January.

PhD Perspectives

Beyond this Master Project, the student could then enroll in a PhD thesis in the context of the KM3NeT experiment, the NA62 experiment and the neutrino tagging studies at CERN.

Bibliography

Abe, K., at al. (2018, May). Hyper-Kamiokande Design Report. Hyper-Kamiokande Design Report.

Acciarri, R., at al. (2015). Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) and Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

Adrian-Martinez, S., at al. (2016). Letter of intent for KM3NeT 2.0. J. Phys., G43, 084001. doi:10.1088/0954-3899/43/8/084001

Branca, A., Brunetti, G., Longhin, A., Martini, M., Pupilli, F., Terranova, F. (2021). A New Generation of Neutrino Cross Section Experiments: Challenges and Opportunities. Symmetry, 13, 1625. doi:10.3390/sym13091625

Cortina Gil, E., at al. (2017). The Beam and detector of the NA62 experiment at CERN. JINST, 12, P05025. doi:10.1088/1748-0221/12/05/P05025

Lai, A. (2018). A System Approach towards Future Trackers at High Luminosity Colliders: the TIMESPOT Project. (pp. 1–3). Sydney: IEEE. doi:10.1109/NSSMIC.2018.8824310

Martino, B. D. (2022, July). Tagged Neutrino Beams. Tagged Neutrino Beams. Zenodo. doi:10.5281/zenodo.6785370

Perrin-Terrin, M. (2022). Neutrino tagging: a new tool for accelerator based neutrino experiments. Eur. Phys. J. C, 82, 465. doi:10.1140/epjc/s10052-022-10397-8

Roueff, A., Arnaubec, A., Dubois-Fernandez, P. C., Refregier, P. (2011). Cramer–Rao Lower Bound Analysis of Vegetation Height Estimation With Random Volume Over Ground Model and Polarimetric SAR Interferometry. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 8(6), 1115–1119. doi:10.1109/LGRS.2011.2157891

Roueff, A., Gerin, M., Gratier, P., Levrier, F., Pety, J., Gaudel, M., . . . Sievers, A. (2020, May). C18O, 13CO, and 12CO abundances and excitation temperatures in the Orion B molecular cloud: An analysis of the precision achievable when modeling spectral line within the Local Thermodynamic Equilibrium approximation. AA 645, A26 (2021). doi:10.1051/0004-6361/202037776

Roueff, A., Roux, P., Réfrégier, P. (2009, April). Wave separation in ambient seismic noise using intrinsic coherence and polarization filtering. Signal Processing, 89, 410–421. doi:10.1016/j.sigpro.2008.09.008

Sakharov, A. D. (1967). Violation of CP Invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe. Pisma Zh. Eksp. Teor. Fiz., 5, 32–35. doi:10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

KM3NeT is an international collaboration aiming for the construction and operation of neutrino telescopes in the Mediterranean Sea. Two such devices are currently under construction: ARCA in the Ionian Sea optimised for the detection of neutrinos in the TeV/PeV energy range and ORCA, offshore Toulon, focused on the measurement of GeV/TeV neutrinos. While the final goal of both detectors is the measurement of neutrinos, the majority of the data which are actually taken are muons originating from cosmic ray interactions in the upper atmosphere. These muons are valuable calibration sources.

The goal of the internship is the analyse such muons from the data taking period 2022-2023. During this period the KM3NeT/ORCA detector was composed of 6 to 18 detection lines, growing over time. The candidate needs to extract muons in the vicinity of Sun or Moon from the processed data sample, to tune the selection of events to optimise the detection of the shadows and to determine the shadow parameters. This will in turn allow to derive constraints on the absolute orientation of the detector. Further the results will be confronted with earlier shadow measurements from the 2020-2021 data set to evaluate how the shadow parameters have evolved.

https://www.km3net.org/

https://arxiv.org/abs/2211.08977

Vingt ans après la découverte de l'accélération de l'expansion de l'univers par des mesures avec les supernovas, la sonde supernovas reste l'un des moyens les plus précis pour mesurer les paramètres de cette période récente de l'histoire de notre univers dominée par ce qu'on appelle l'énergie noire.

L'observatoire Rubin avec le relevé Large Survey of Space and Time (Rubin/LSST) sera mis en service en 2024 et fonctionnera à plein régime mi-2025. Il s'agit d'un télescope de 8,4 mètres doté d'une caméra de 3,2 milliards de pixels, la plus puissante jamais construite.

Ce télescope prendra une photo de la moitié du ciel toutes les trois nuits pendant dix ans. Ce sondage permettra de mesurer des milliards de galaxies avec une grande précision et de suivre la variation dans le temps de tous les objets transitoires. Avec de nombreuses autres études astrophysiques, ce sera une machine très puissante pour déterminer les paramètres cosmologiques à l'aide de nombreuses sondes différentes et, en particulier, elle imposera de fortes contraintes sur la nature de l'énergie noire. Le projet LSST vise à découvrir jusqu'à un demi-million de supernovae. Cette amélioration de deux à trois ordres de grandeur statistique par rapport à l'ensemble des données actuelles permettra de tester précisément les paramètres de l'énergie noire, de tester la relativité générale et imposera également de nouvelles contraintes sur l'isotropie de l'univers.

[1] https://www.lsst.org/content/lsst-science-drivers-reference-design-and-anticipated-data-products

[2] https://arxiv.org/abs/1211.0310

[3] https://www.lsst.org/about/dm

[4] https://arxiv.org/abs/1901.01298

[5] https://arxiv.org/abs/1806.06607

[6] https://arxiv.org/abs/1401.4064

A la fin des années 90, la mesure de la distance des Supernovae et du décalage vers le rouge de leur galaxies hôtes a révélé que l'expansion de l'Univers était en accélération. Plus de 20 ans après cette découverte, la nature de l'énergie noire qui serait à l'origine de ce phénomène reste inconnue.

Le modèle de concordance $\Lambda$ CDM décrit un Univers homogène et isotropes aux grandes échelles, soumis aux lois de la relativité générale (RG). Dans ce modèle, la majorité du contenu énergétique de l'Univers provient de la matière noire froide et de l'énergie noire, introduite comme une constante cosmologique. Celle-ci se comporte comme un fluide parfait avec une pression p négative, d'équation d'état p = - rho, où rho est la densité d'énergie.

Certains modèles alternatifs (cf [1] pour une revue) introduisent par exemple des champs scalaires (quintessence) dont l'évolution est responsable de l'expansion accélérée. Ces champs scalaires peuvent varier dans le temps et l'espace. Ils peuvent donc avoir une équation d'état dépendant du temps ainsi que générer des anisotropies de l'expansion.

D'autres modèles proposent de modifier la loi de la gravitation aux grandes échelles imitant le rôle de l'énergie noire.

Aujourd'hui encore, les supernovae restent l'une des sondes les plus précises pour mesurer l'expansion de l'Univers et son homogénéité. Par ailleurs, une partie du décalage vers le rouge des galaxies provient d'un effet Doppler dû à leurs vitesses particulières. On peut alors grâce aux supernovae reconstruire le champ de vitesse à grande échelle, et mesurer le taux de croissances des structures cosmiques. Cela nous permettra de tester la loi de la gravitation.

Une anisotropie de l'expansion aux grandes échelles, une modification de la RG, ou une évolution de l'équation d'état de l'énergie noire, seraient toutes des observations révolutionnaires qui remettraient en cause notre modèle actuel.

Jusqu'aujourd'hui les relevés de supernovae compilaient des données de multiples télescopes compliquant leur analyse statistique. Les relevés du Zwicky Tansient Facility (ZTF: https://www.ztf.caltech.edu/) et de l'observatoire Vera Rubin/LSST (https://www.lsst.org/) vont changer la donne. Ils couvrent la totalité du ciel et mesurent avec précision la distance de dizaines (centaines) de milliers de supernovae proches (lointaines).

Le CPPM travaille sur les données de ZTF depuis 2021 et participe à la construction et la mise en place de LSST depuis des années, en se préparant à l'arrivée des données en 2025.

Dans le groupe, nous travaillons à la calibration photométrique du relevé ZTF, indispensable pour la précision de mesure dont nous avons besoin (cf ubercalibration [2,3]). Un doctorant venant de soutenir sa thèse a développé un pipeline pour simuler ZTF et mesurer le taux de croissance des structures ([4]) et un doctorant actuel, adapte cet exercice à LSST. Par ailleurs un postdoctorant vient de rejoindre le groupe pour travailler sur ZTF, et une chaire d'excellence (DARKUNI, cf stage/thèse de Julian Bautista) étend ce travail en combinant ces données avec les données spectroscopiques de DESI.

L'objectif de ce stage est de développer ce pipeline d'analyse pour mesurer le taux de croissance des structures.

D'autres aspects pourraient être étudiés pendant ce stage, comme l'ajout de l'étude de l'homogénéité de l'expansion au sein de ce pipeline.

Il s'agit donc d'un stage de cosmologie observationnelle, pour un-e candidat-e intéressé-e par la cosmologie et l'analyse de données.

Les futurs relevés de galaxies tels que le satellite Euclid (Laureijs et al. 2011) permettront de contraindre le modèle cosmologique standard en mesurant la distorsion de la forme des galaxies d'arrière-plan due à l'effet de lentillage gravitationnel. En effet, lorsqu'ils nous parviennent, les photons suivent les géodésiques du champ gravitationnel sous-jacent, ce qui se traduit par un alignement apparent des galaxies autour des puits de potentiel gravitationnels. La mesure de cet alignement permet aux cosmologistes de contraindre les paramètres qui décrivent notre univers. Cependant, lorsque l'on mesure l'alignement des galaxies dû à l'effet de lentille gravitationnelle, il est important de prendre en compte l'alignement intrinsèque des galaxies dû au fait que les galaxies évoluent localement en alignement avec les puits de potentiel qui les entourent. Cette corrélation entre la forme des galaxies et leur environnement, qui représente une erreur systématique non négligeable sur le signal global de lentillage gravitationnel, a été mesurée autour des sur-densités et récemment aussi autour des sous-densités (d'Assignies et al. 2022). De plus, des travaux récents (Taruya et al. 2020) ont également montré que ce signal pouvait fournir des informations supplémentaires pour contraindre les paramètres cosmologiques. Dans le contexte du satellite Euclid, qui mesurera la forme de millions de galaxies dans les années à venir, nous proposons un stage visant à évaluer l'impact de l'alignement intrinsèque des galaxies sur le signal de lentillage graviationnel des vides cosmiques en utilisant des simulations réalistes d'Euclid.

Le contexte : Plus de vingt ans après la découverte de la nature accélérée de l'expansion de l'Univers, il n'existe toujours pas d'explication définitive de son origine physique. Plusieurs types d'énergie noire ou même des alternatives/extensions à la relativité générale ont été proposés dans la littérature pour tenter d'expliquer l'accélération de l'expansion. En mesurant avec précision les taux d'expansion de l'Univers et de la croissance des structures à grande échelle, en fonction du temps cosmique, nous pouvons en apprendre davantage sur ce mystère cosmologique. En particulier à faible redshift, lorsque l'expansion est accélérée et que l'énergie noire domine l'expansion, nous souhaitons obtenir les meilleures contraintes sur le taux de croissance des structures. Ces mesures peuvent être réalisées en combinant les positions des galaxies et leurs vitesses. Les propriétés statistiques du champ de densité et de vitesse sont étroitement liées au modèle cosmologique sous-jacent.

Expériences : La mesure des taux d'expansion et de croissance de l'Univers est le principal objectif scientifique des expériences actuelles et futures telles que l'instrument spectroscopique de l'énergie noire (DESI), le Zwicky Transient Facility (ZTF), Euclid et le Vera Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (Rubin-LSST).

DESI mesure actuellement la position de 40 millions de galaxies (avec leur décalage vers le rouge) et l'échantillon de galaxies à faible décalage vers le rouge sera le plus complet à ce jour.

L'étude ZTF permettra de découvrir plus de 6 000 supernovae de type Ia, dont nous pourrons déduire la vitesse des galaxies. Le projet Rubin-LSST portera ce nombre à plusieurs centaines de milliers.

Objectif du stage : Le candidat sélectionné travaillera à l'analyse conjointe des ensembles de données DESI et ZTF, qui contiennent des millions de galaxies et des milliers de supernovae de type Ia. Le candidat se familiarisera avec la physique et les statistiques des regroupements de galaxies, codera son propre pipeline d'analyse, le testera sur des simulations de pointe et, si possible, l'appliquera sur des données réelles. Ce stage est conçu comme une préparation à une thèse de doctorat sur le même sujet, si une bourse est disponible.

Profil requis : Le candidat doit avoir un grand intérêt pour la cosmologie, les statistiques, l'analyse de données et la programmation (nous utilisons principalement python). La maîtrise de l'anglais et la capacité à travailler en équipe sont également requises.

La mission Euclid (http://www.euclid-ec.org) est un projet majeur de l'ESA qui a lancé en juillet 2023 un télescope spatial dédié à la compréhension de l'Univers et réalisera une cartographie de tout le ciel. D'une précision jamais atteinte auparavant, ces mesures des grandes structures de l'Univers lointain permettront de tester le modèle cosmologique et en particulier de questionner la nature de l'énergie noire. La cartographie sera obtenue grâce au spectrophotomètre NISP et les 16 détecteurs infrarouges de son plan focal dont le CPPM a réalisé la calibration au sol, étape fondamentale pour valider les performances de l'instrument.

Activité principale

Les détecteurs infrarouges du NISP ont été développés expressément pour la mission Euclid. À la pointe de la technologie, chacun est constitué d'une matrice de 2048 x 2048 pixels. Leur calibration fine a été réalisée au CPPM et a donné lieu à l'enregistrement de 500 To de données à analyser. Ces données montrent clairement la présence de persistance qui vient polluer les données pendant plusieurs heures d'acquisition. Afin d'acquérir une meilleure compréhension du phénomène, l'ingénieur/l'ingénieure-stagiaire cherchera à caractériser la persistance et à comprendre l'influence des paramètres environnementaux sur celle-ci.

Pour ce faire, l'ingénieur/l'ingénieure-stagiaire devra~appliquer des méthodes d'analyse classiques ou plus sophistiquées suivant les étapes :

Implémenter les méthodes choisies en python

Extraire des grandeurs comme les constantes de temps et amplitudes à partir des données de calibration existantes

Analyser les corrélations entre la persistance et les données environnementales

Faire la même étude sur un détecteur de technologie différente et comparer les résultats

Connaissances requises

Base solide en programmation en langage python

Bonnes connaissances en traitement du signal

Bonnes connaissances en physique du semi-conducteur

Le stage de 6 mois sera conventionné et rémunéré. Il pourra être poursuivi en thèse avec un financement CNES (demande en cours).

Contact~: CV + lettre de motivation à

Aurélia Secroun, Ingénieure Chercheure

Tel : 04 91 82 72 15 mail : secroun@cppm.in2p3.fr

Le modèle ?CDM est actuellement le modèle cosmologique standard utilisé pour décrire les propriétés géométriques et dynamiques de notre Univers. Il est basé sur la théorie de la relativité générale (RG) d'Einstein, nécessaire pour modéliser la gravité, la seule interaction pertinente opérant aux plus grandes échelles.La RG a passé avec succès de nombreux tests dans notre univers local et n'a jamais été falsifiée. Cependant, plusieurs théories alternatives de la gravité restent compatibles avec les données d'observation des sondes cosmologiques et peuvent offrir une explication physique a l'expansion accélérée de l'univers sans invoquer une nouvelle composante d'énergie noire. L'étude des redshifts gravitationnels dans les amas de galaxies est un moyen de tester la GR à l'échelle du mégaparsec. Il s'agit du changement du redshift moyen observé des galaxies membres d'un amas, causé par le potentiel gravitationnel rencontré par la lumière le long de sa trajectoire. Cependant, étant donné la faiblesse de cet effet, il est nécessaire d'empiler un grand nombre d'amas de galaxies pour améliorer le rapport signal/bruit. Plus précisément, notre plan consiste à mesurer l'effet de redshift gravitationnel à partir de profils d'amas empilés, en utilisant les distributions de vitesses particulières des galaxies membres de l'amas comme sondes.

Des mesures du redshift gravitationnel ont déjà été effectuées par Wojtak et al. 2011, Jimeno et al. 2015 et Rosselli et al. 2023. Cependant, les incertitudes de ces mesures sont encore trop importantes pour permettre de distinguer statistiquement les différentes théories gravitationnelles. En outre, ces études reposent sur plusieurs hypothèses clés qui devraient être systématiquement validées par rapport aux simulations.

Ce projet vise à construire des catalogues fictifs (mock) précis afin de tester rigoureusement les algorithmes numériques de l'etat de l'art pour mesurer les redshifts gravitationnels dans les dans les amas de galaxies. L'objectif est d'étudier toutes les incertitudes systématiques possibles et de développer des stratégies d'atténuation efficaces. En outre, ces simulations permettront de fournir des prévisions pour les missions à venir, telles que la mission Euclid de l'Agence spatiale européenne (ESA), l'instrument spectroscopique de l'énergie noire (DESI) et le projet Rubin/LSST (LSST).

L'équipe de recherche imXgam conduit des activités de recherche interdisciplinaire pour les applications d'imagerie des rayonnements ionisants dans le champ de la santé et de l'énergie. Elle participe au projet ClearMind dont l'objectif est de développer un détecteur optimisé pour les applications hautement résolues en temps, notamment pour la tomographie par émission de positons (TEP) à temps-de-vol.

La mesure du temps de vol d'une paire de photons d'annihilation, à savoir du temps séparant la détection des deux photons de 511 keV, permet de contraindre l'inversion tomographique dans une plage de rétroprojection déterminée par la précision de la mesure du temps-de-vol, qui est donnée par la résolution temporelle de la coïncidence (CTR en anglais). Sachant que la vitesse de la lumière dans le vide est de 30 cm/ns, une CTR de 10 ps FWHM permettrait de localiser l'annihilation électron-positon avec une précision de 1,5 mm FWHM, ce qui serait suffisant pour obtenir une image de la distribution des points d'annihilation virtuellement sans reconstruction et de limiter ainsi la dose nécessaire pour obtenir une qualité d'image équivalente à celle des caméras TEP clinique. Actuellement, les caméras à l'état de l'art atteignent une CTR de 215 ps FWHM. L'objectif du projet ClearMind est d'améliorer la résolution temporelle des détecteurs en utilisant un cristal scintillant de tungstate de plomb (PWO) utilisé comme fenêtre d'entrée d'un tube photomultiplicateurs à galette de micro-canaux (MCP-PMT en anglais) et de déposer une photocathode directement sur la face interne du cristal de PWO dans le but d'éviter les réflexions totales des photons de scintillation et Tcherenkov sur l'interface PWO/photocathode afin d'améliorer la collection des photons Tcherenkov dont l'émission est pratiquement instantanée lors de l'émission d'un électron photoélectrique dont la vitesse est supérieure à la vitesse de la lumière dans le PWO [1].

Un banc mécanique d'expérimentation tomographique appelé tomXgam a été construit au CPPM sur lequel sont monté les premiers prototypes obtenus dans le cadre du projet ClearMind. L'objectif du stage est de participer à la première campagne de mesure des détecteurs scintroniques ClearMind sur tomXgam.

Les candidats sont invités à prendre contact avec le responsable du sujet de stage en lui joignant un CV accompagné d'une lettre de motivation et des derniers relevés de notes (celui de l'année précédente ainsi que celui du semestre actuel, si disponible).

[1] D. Yvon et al., Design study of a scintronic crystal targeting tens of picoseconds time resolution for gamma ray imaging: the ClearMind detector, J. Instrum. 15 (2020) P07029

L'équipe de recherche imXgam conduit des activités de recherche interdisciplinaire pour les applications d'imagerie des rayonnements ionisants dans le champ de la santé et de l'énergie. Elle participe au projet PGTI (Prompt Gamma Time Imaging) financé par l'ERC, dont l'objectif est de réduire les incertitudes liées au parcours des protons lors de traitements par protonthérapie grâce au développement d'un détecteur pour l'imagerie par temps-de-vol des rayons gammas prompts (GP) créés lors de l'irradiation. Ce projet s'appuie sur le développement du détecteur TIARA (Time-of-flight Imaging Array).

La précision de la protonthérapie est aujourd'hui limitée par les incertitudes liées au parcours des protons, qui résultent de la composition des tissus du patient, des mouvements physiologiques ou des modifications transitoires de l'anatomie, et qui conduisent à utiliser de marges de sécurité importantes (jusqu'à 1 cm) pour éviter l'irradiation des tissus sains. L'imagerie des GP a pour but de permettre de contrôler en temps réel le traitement de la tumeur [1]. Pour exploiter pleinement son potentiel, un détecteur innovant de contrôle des traitements en temps réel, basé sur une imagerie des GP par temps-de-vol avec une résolution temporelle de 100 ps est proposé [2]. Ce détecteur consiste en un ensemble de convertisseurs Tcherenkov en fluorure de plomb d'environ 1 cm3 chacun entourant le volume irradié lus en coïncidence avec un moniteur de faisceau. Le principe consiste à mesurer précisément (à mieux que 100 ps) la différence de temps entre le temps de passage des protons dans le moniteur faisceau basé sur un détecteur en diamant et le temps d'arrivée des GP dans les convertisseurs Tcherenkov, qui correspond au temps-de-vol du proton entre son passage dans le moniteur faisceau jusqu'à son interaction dans les tissus suivi du temps de vol du GP émis lors de cette interaction jusqu'à sa détection par TIARA. Cette différence de temps, connaissant la position des détecteurs, contraint les coordonnés du point d'émission des GP, ce qui permet une reconstruction 3D du parcours des protons en temps réel avec une précision millimétrique [3].

Un algorithme de reconstruction 3D du parcours des protons en temps réel spécifique au détecteur TIARA et à sa physique a été développé et validé sur données analytiques et sur données Monte Carlo. L'objectif de ce stage consiste à développer et étudier les performances des méthodes d'apprentissage (machine et/ou profond) de ce problème. Dans une première partie, il s'agira de construire une base de données conséquente en exploitant la modélisation de l'expérience PGTI/TIARA sur la plateforme de simulation Monte-Carlo GEANT4 qui est déjà réalisée. Ces données devront correspondre à un benchmark réaliste. Dans un second temps, il s'agira d'utiliser cette base de données pour entraîner des réseaux de neurones qui devront être capables d'estimer le dépôt d'énergie dans le patient à partir de temps de vol. La robustesse et la précision de ces sera évaluée et comparée à un algorithme analytique déjà développé.

Ces développements utiliseront principalement les langages Python et GATE/Geant4.

Les candidats sont invités à prendre contact avec le responsable du sujet de stage en lui joignant un CV accompagné d'une lettre de motivation et des derniers relevés de notes (celui de l'année précédente ainsi que celui du semestre actuel, si disponible).

[1] J Krimmer et al., Prompt-gamma monitoring in hadrontherapy: A review, Nucl. Instrum. Methods A 878 (2018) 58-73

[2] S. Marcatili et al., Ultra-fast prompt gamma detection in single proton counting regime for range monitoring in particle therapy, Phys. Med. Biol. 65 (2020) 45033

[3] M. Jacquet et al., A time-of-flight-based reconstruction for real-time prompt-gamma imaging in protontherapy, Phys. Med. Biol. 66 (2021) 135003

L'équipe de recherche imXgam conduit des activités de recherche interdisciplinaire pour les applications d'imagerie des rayonnements ionisants dans le champ de la santé et de l'énergie. Elle participe au projet TIARA (Time-of-flight Imaging Array), dont l'objectif est de réduire les incertitudes liées au parcours des protons lors de traitements par protonthérapie grâce au développement d'un détecteur pour l'imagerie par temps-de-vol des rayons gammas prompts (GP) créés lors de l'irradiation.

La précision de la protonthérapie est aujourd'hui limitée par les incertitudes liées au parcours des protons, qui résultent de la composition des tissus du patient, des mouvements physiologiques ou des modifications transitoires de l'anatomie, et qui conduisent à utiliser de marges de sécurité importantes (jusqu'à 1 cm) pour éviter l'irradiation des tissus sains. L'imagerie des GP a pour but de permettre de contrôler en temps réel le traitement de la tumeur [1]. Pour exploiter pleinement son potentiel, un détecteur innovant de contrôle des traitements en temps réel, basé sur une imagerie des GP par temps-de-vol avec une résolution temporelle de 100 ps est proposé [2]. Ce détecteur consiste en un ensemble de convertisseurs Tcherenkov en fluorure de plomb d'environ 1 cm³ chacun entourant le volume irradié lus en coïncidence avec un moniteur de faisceau. Le principe consiste à mesurer précisément (à mieux que 100 ps) la différence de temps entre le temps de passage des protons dans le moniteur faisceau basé sur un détecteur en diamant et le temps d'arrivée des GP dans les convertisseurs Tcherenkov, qui correspond au temps-de-vol du proton entre son passage dans le moniteur faisceau jusqu'à son interaction dans les tissus suivi du temps de vol du GP émis lors de cette interaction jusqu'à sa détection par TIARA. Cette différence de temps, connaissant la position des détecteurs, contraint les coordonnés du point d'émission des GP, ce qui permet une reconstruction 3D du parcours des protons en temps réel avec une précision millimétrique [3].

Un algorithme de reconstruction 3D du parcours des protons en temps réel spécifique au détecteur TIARA et à sa physique a été développé et validé sur données analytiques. L'objectif de ce stage consiste à évaluer les performances de cet algorithme sur des données plus réalistes obtenues par simulation Monte-Carlo. Dans une première partie, il s'agira de modéliser l'expérience TIARA en se basant sur la plateforme de simulation Monte-Carlo GATE et de générer des données correspondant à un benchmark réaliste. Dans un second temps, la robustesse et la précision de l'algorithme de reconstruction 3D déjà développé sera évalué sur ces données Monte-Carlo.

Ces développements utiliseront principalement les langages Python et GATE/Geant4.

Les candidats sont invités à prendre contact avec le responsable du sujet de stage en lui joignant un CV accompagné d'une lettre de motivation et des derniers relevés de notes (celui de l'année précédente ainsi que celui du semestre actuel, si disponible).

[1] J Krimmer et al., Prompt-gamma monitoring in hadrontherapy: A review, Nucl. Instrum. Methods A 878 (2018) 58-73

[2] S. Marcatili et al., Ultra-fast prompt gamma detection in single proton counting regime for range monitoring in particle therapy, Phys. Med. Biol. 65 (2020) 45033

[3] M. Jacquet et al., A time-of-flight-based reconstruction for real-time prompt-gamma imaging in protontherapy, Phys. Med. Biol. 66 (2021) 135003

Contexte

L'équipe de recherche imXgam conduit des activités de recherche interdisciplinaire pour les applications d'imagerie des rayonnements ionisants dans le champ de la santé et de l'énergie. Le sujet de stage proposé ici vise à l'amélioration des performances temporelles des détecteurs de rayons gamma dans le contexte de la tomographie par émission de positons (TEP) à temps-de-vol.

La résolution temporelle en coïncidence (CTR) des caméras TEP à temps-de-vol cliniques à l'état de l'art avoisine 210 ps FWHM. Une CTR de 10 ps FWHM permettrait de localiser la position d'une annihilation électron-positon à mieux de 1.5 mm FWHM, rendant possible l'obtention d'une image TEP pratiquement sans inversion tomographique [1]. Une des voies possibles pour améliorer les performances temporelles des détecteurs est d'exploiter le rayonnement Tcherenkov engendré par le mouvement des électrons photoélectriques dans un milieu d'interaction transparent [2]. Si ce milieu transparent est également scintillant, deux types de photons de lumière visible sont alors émis avec des distributions temporelles différentes l'une de l'autre, les premiers pratiquement simultanément par effet Tcherenkov et les seconds légèrement différés par désexcitation d'un centre radiatif à l'origine du phénomène de scintillation [3]. Les photons sont alors susceptibles de subir des réflexions sur les faces du milieu transparent avant d'être collectés par un ou des photo-détecteurs afin d'étiqueter l'interaction photoélectrique avec une heure de détection précise. L'existence de distributions temporelles différentes rend la mesure de la CTR complexe [4].

But du stage

Le but du stage est de déterminer si des techniques d'apprentissage profond peuvent être utilisées pour étiqueter ces deux populations de photons de lumière visible compte tenu de leur heure et de l'endroit de leur détection et, le cas échéant, de dater précisément l'interaction photoélectrique en vue d'améliorer la résolution temporelle de la coïncidence. Le ou la stagiaire constituera des jeux de données Monte Carlo à l'aide du logiciel GATE [5] pour simuler l'interaction de rayons gamma de 511 keV dans un milieu scintillant et exploitera la vérité Monte Carlo pour apprendre la position de l'interaction photoélectrique, le type d'émission (Tcherenkov ou scintillation) et l'heure de l'interaction, puis il ou elle cherchera à réduire tant que faire se peut la dimension de l'espace de phase tout en préservant la précision des observables restitués par apprentissage profond.

Connaissances requises : programmation Python, connaissance des interactions rayonnement-matière, notions d'apprentissage profond (DL)

[1] P. Lecoq, C. Morel et al. Roadmap toward the 10 ps time-of-flight PET challenge, Phys. Med. Biol. 65 (2020) 21RM01

[2] S.K. Kwon et al, Ultrafast timing enables reconstruction-free positron emission imaging, Nat. Photon. (2021) https://doi.org/10.1038/s41566-021-00871-2

[3] D. Yvon et al. Design study of a “scintronic” crystal targeting tens of picoseconds time resolution for gamma ray imaging: the ClearMind detector, J. Instrum. 15 (2020) P07029

[4] J. Nuyts et al. Estimating the relative SNR of individual TOF-PET events for Gaussian and non-Gaussian TOF-kernels, in Proc. Fully-3D'2021, G. Schramm, A. Rezaei, K. Thielemans and J. Nuyts eds, pp. 19-23.

[5] D. Sarrut et al. Advanced Monte Carlo simulations of emission tomography imaging systems with GATE, Phys. Med. Biol. 66 (2021) 10TR03

L'équipe de recherche imXgam conduit des activités de recherche interdisciplinaire pour les applications d'imagerie des rayonnements ionisants dans le champ de la santé et de l'énergie. Le sujet de stage proposé ici vise à améliorer les performances d'un processus de segmentation automatique de tumeurs du foie dans le contexte de la tomodensitométrie (TDM) pour le petit animal.

Contexte

Ce stage s'inscrit dans le cadre du projet DePIcT financé par la Mission pour les Initiatives Transverses et Interdisciplinaires) du CNRS (https://miti.cnrs.fr/projet-multi-quipe/depict/ , https://www.in2p3.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/palmares-des-80prime-2020-4-projets-pilotes-par-lin2p3-decrochent-un-financement). Dans le cadre d'une étude pré-clinique sur l'hépato-carcinome, des suivis longitudinaux in vivo sont réalisés à l'aide du PIXSCAN-FLI, un micro-TDM à comptage de photons (PC-CT) développé au CPPM. Il a été démontré que le comptage de photons garantit de très hauts contrastes sur les images 3D.

De plus, l'acquisition ultra-rapide (100 images par seconde) permet de capturer les mouvements respiratoires de la souris. Cette étude se base sur un protocole d'imagerie établi au CPPM (Cassol et al. 2019), qui consiste à marquer le foie avec des nanoparticules de Baryum, un agent de contraste absorbé par les macrophages du foie. On peut alors observer et caractériser les tumeurs apparaissant en négatif grâce à la radio-opacité de l'agent de contraste entourant les tumeurs. Cette technique permet ainsi de différencier le foie des tumeurs et de pouvoir estimer une série de paramètres importants des tumeurs au cours du temps (taille, forme, etc.)

Objectifs

Le but du stage est d'implanter et d'évaluer les performances d'une méthode de l'état de l'art en apprentissage profond (Deep Learning) en micro-CT pour la segmentation automatique (Léger et al. 2018, Brion et al. 2020). Il s'agit ici de segmenter automatiquement le foie ainsi que les tumeurs du foie. Le ou la stagiaire pourra s'appuyer sur une base de données réelles conséquente pour laquelle la segmentation de tumeurs effectuée par un expert est déjà disponible. Si ces méthodes s'avèrent satisfaisantes, elles seront incorporées dans le pipeline de traitement automatique des données du PIXSCAN-FLI pour être utilisées en routine.

Cette étude pourra inclure une analyse et une correction des mouvements respiratoires de la souris pour améliorer la netteté des images 3D.

Compétences requises : programmation Python, notions d'apprentissage profond. Une connaissance du contexte et de la physique d l'imagerie CT sera appréciée.

Bibliographie

E. Brion et al., Domain adversarial networks and intensity-based data augmentation for male pelvic organ segmentation in cone beam CT in Computers in Biology and Medicine https://dial.uclouvain.be/pr/boreal/object/boreal:245104

J. Léger et al., Contour Propagation in CT Scans with Convolutional Neural Networks in Advanced Concepts for Intelligent Vision Systems https://dial.uclouvain.be/pr/boreal/object/boreal:203221

F. Cassol et al., Tracking dynamics of spontaneous tumours in mice using Photon Counting Computed Tomography, iScience 21 (2019) 68-83 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004219303943

The data acquisition and trigger electronics of the ATLAS liquid argon calorimeter will be fully replaced as part of the second phase of upgrade of the ATLAS detector. The new backend electronics will be based on high-end FPGAs that will compute on-the-fly the energy deposited in the calorimeter before sending it to the trigger and data acquisition systems. New state-of-the-art algorithms, based on neural networks, are being developed to compute the energy and improve its resolution in the harsh conditions of the HL-LHC.

The candidate is expected to take a role in the development of data processing algorithms allowing to efficiently compute the energies deposited in the LAr calorimeters in the high pileup conditions expected at the HL-LHC. These algorithms will be based on AI techniques such as recurrent neural networks will be adapted to fit on hardware processing units based on high-end FPGAs. The successful candidate will be responsible of designing the AI algorithms, using python and keras, and assessing their performance. The candidate will also assess the effect of employing such algorithms for electromagnetic object reconstruction (especially at trigger level). She/he will work closely with the engineers designing the electronic cards at CPPM in order to adapt the AI algorithm to the specifics of FPGAs. Candidates with a strong interest for hardware will be encouraged to take part in the design of the firmware to program the FPGAs.

Prior knowledge of keras, python and C++ is desirable but not mandatory.

Our group is developing machine learning for embedded trigger systems for the ATLAS detector, and as such the developed neural networks need to be optimized for speed and resource consumption on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). The networks are developed using Tensorflow/Keras which is a Python library, but historically C++ has been the language used in particle physics for its speed. While Python has a reputation as a slow language, that is not anymore the case with new methods such as Numba that uses LLVM and Just In Time (JIT) compilation to optimize the performance. The purpose of this internship is to develop methods for fast data processing with Python that would replace and complement the existing parts written in C++ or (slow) Python. This work consists of writing and evaluating Numba as a method to speed up Python used in the data processing and analysis as well as possibility to merge Python with C++, such as pybind11. This internship would also consist of developing neural networks with tools suitable to create more optimized networks that would retain their original accuracy, but be compressed to run fast and consume low resources when running on FPGAs.

The project is done in English. The candidate is expected to have knowledge in Python programming and good communication skills in English. The project length is expected to be 2 to 3 months and can start in spring 2022.

Étant interdites dans le Modèle Standard (SM) de la physique des particules, les désintégrations violant la saveur des leptons sont parmi les sondes les plus puissantes pour rechercher de la physique au-delà du SM. Plusieurs nouveaux modèles de physique prédisent des fractions de désintégration de $B \to K\tau\mu$ juste en dessous des limites expérimentales actuelles, d'où l'intérêt pour ce sujet.

L'expérience Belle II, située à KEK, au Japon, a commencé à collecter des données en 2019, avec pour objectif de recueillir 50 fois plus de données que son prédécesseur, Belle, d'ici 2031. Le but de ce stage est d'exploiter les données de Belle II afin d'obtenir les meilleures limites expérimentales sur les désintégrations violant la saveur des leptons, telles que $B \to \tau\ell X$ , où X est un système hadronique et $\ell$ un électron ou un muon.

Activités :

Analyse de données éventuellement en utilisant des techniques de Machine Learning.

Contexte de travail :

Ce stage se déroulera au CPPM, à Marseille (https://www.cppm.in2p3.fr/web/en/index.html).

La candidature doit inclure un CV et des relevés de notes.

Références :

https://arxiv.org/abs/1808.10567

https://arxiv.org/abs/1903.11517

https://arxiv.org/pdf/2103.16558.pdf

https://arxiv.org/pdf/1806.05689.pdf

Le CPPM développe une application permettant de présenter les activités du laboratoire, s'adressant à un public lycéen. Le stagiaire assistant en communication digitale s'intégrera dans l'équipe projet et contribuera à la réalisation de contenus multimédias, avec plusieurs volets : une partie rédactionnelle sur les questions fondamentales, des interviews vidéos présentant les différents corps de métiers, des quizz d'apprentissage de connaissances. La durée du stage est de 3 mois.

Time-domain astronomy has received a considerable boost in recent years due to its ability to study extreme physics, to track cataclysmic phenomena like the birth of stellar mass black holes or the mergers of neutron stars, to probe distant

regions of the Universe, and to identify candidate sources for multi-messenger astrophysics. These explosive events can release enormous amounts of energy both in electromagnetic radiation and in non-electromagnetic forms such as neutrinos

and gravitational waves. They lie at the frontier of our understanding of the laws of physics under the most extreme conditions. Multi-messenger astronomy – the observation of astrophysical objects and processes using combinations of different messengers such as electromagnetic radiation, neutrinos, cosmic rays and gravitational waves – has emerged as a major new field in astronomy during the last years.

In CPPM, we are mainly working on the development of multi-messenger analyses with high-energy neutrinos detected with ANTARES and KM3NeT neutrino telescopes. In this context, we are developing a real-time analysis framework that is able to send neutrino alerts and to receive and process a cross-match analysis with high-energy neutrinos. In the next years, the LSST telescope in Chile will be one of the major discover of optical transients. Around a million triggers are expected each night. To account for these large numbers, LSST is developing some brokers to filter the alerts. In France, some colleagues are implementing the FINK broker (https://arxiv.org/abs/2009.10185). Some actual data are available with the ZTF telescope in US.

During this intern ship, the student will implement a filter chain in the broker to identify the most interesting candidates for the neutrino searches. It will filter on the nature of the transient, the number of detections, the light-curve and some cross-matches with astrophysical catalogues.

The analyses will be performed using C++ or python.

The KM3NeT experiment is a next-generation neutrino telescope, currently under construction in the two sites: ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) and ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss).

The ORCA site foresees the installation of 115 detection units (DUs), at 2500m depth in the Mediterranean Sea off Toulon and it is optimized for the atmospheric neutrino detection in the 3-100 GeV energy range, allowing for precision studies of neutrino oscillation parameters. Currently, only partially instrumented, KM3NeT/ORCA has already been operating for several months and it is collecting high-quality data. During this internship, the student will have the opportunity to become familiar with neutrino physics and analyze the KM3NeT/ORCA data collected so far, for studying neutrino oscillation properties. It is expected that the candidate will pursue similar studies in an M2 internship and eventually a Ph.D. in our group.

The accelerated expansion of the Universe and the mass of the neutrino species are fundamental problems in physics that can be tackled with cosmological observations. The Dark Energy Spectroscopic Instrument is an ongoing spectroscopic survey mapping the three-dimensional distribution of matter in the Universe through precise redshift measurements. At high-redshifts (2

Nous proposons une opportunité de stage stimulante pour les passionnés d'intelligence artificielle et d'astrophysique. Le candidat retenu travaillera sur l'application d'algorithmes d'IA avancés aux données spectrophotométriques obtenues à partir de l'instrument Near Infrared Spectrometer and Photometer (NISP) à bord du télescope spatial Euclid de l'Agence spatiale européenne. L'accent principal du stage sera mis sur l'utilisation des compétences en programmation Python pour analyser et interpréter les données, afin de mieux comprendre le comportement de l'instrument NISP.

Responsabilités :

Mettre en œuvre et optimiser des algorithmes d'IA pour l'analyse des données spectrophotométriques du télescope spatial Euclid.

Collaborer avec l'équipe de recherche pour comprendre les subtilités de l'instrument NISP et de ses données d'observation.

Développer des scripts et du code Python pour prétraiter, analyser et visualiser les données.

Contribuer à la documentation des algorithmes et des méthodologies développés.

Participer aux réunions d'équipe et aux discussions pour partager les progrès et les insights.

Une bonne maîtrise de Python est obligatoire, et une expérience en machine learning serait grandement appréciée.

L'équipe de recherche imXgam conduit des activités de recherche interdisciplinaire pour les applications d'imagerie des rayonnements ionisants dans le champ de la santé et de l'énergie. Elle participe au projet ClearMind dont l'objectif est de développer un détecteur optimisé pour les applications hautement résolues en temps, notamment pour la tomographie par émission de positons (TEP) à temps-de-vol.

La mesure du temps de vol d'une paire de photons d'annihilation, à savoir du temps séparant la détection des deux photons de 511 keV, permet de contraindre l'inversion tomographique dans une plage de rétroprojection déterminée par la précision de la mesure du temps-de-vol, qui est donnée par la résolution temporelle de la coïncidence (CTR en anglais). Sachant que la vitesse de la lumière dans le vide est de 30 cm/ns, une CTR de 10 ps FWHM permettrait de localiser l'annihilation électron-positon avec une précision de 1,5 mm FWHM, ce qui serait suffisant pour obtenir une image de la distribution des points d'annihilation virtuellement sans reconstruction et de limiter ainsi la dose nécessaire pour obtenir une qualité d'image équivalente à celle des caméras TEP clinique. Actuellement, les caméras à l'état de l'art atteignent une CTR de 215 ps FWHM. L'objectif du projet ClearMind est d'améliorer la résolution temporelle des détecteurs en utilisant un cristal scintillant de tungstate de plomb (PWO) utilisé comme fenêtre d'entrée d'un tube photomultiplicateurs à galette de micro-canaux (MCP-PMT en anglais) et de déposer une photocathode directement sur la face interne du cristal de PWO dans le but d'éviter les réflexions totales des photons de scintillation et Tcherenkov sur l'interface PWO/photocathode afin d'améliorer la collection des photons Tcherenkov dont l'émission est pratiquement instantanée lors de l'émission d'un électron photoélectrique dont la vitesse est supérieure à la vitesse de la lumière dans le PWO [1].

Un banc mécanique d'expérimentation tomographique appelé tomXgam a été construit au CPPM sur lequel sont monté les premiers prototypes obtenus dans le cadre du projet ClearMind. L'objectif du stage est de participer à la première campagne de mesure sur tomXgam en vue de confirmer son état de préparation et de caractériser les performances de détecteurs embarqués sur ce dispositif.

Les candidats sont invités à prendre contact avec le responsable du sujet de stage en lui joignant un CV accompagné d'une lettre de motivation et des derniers relevés de notes (celui de l'année précédente ainsi que celui du semestre actuel, si disponible).

[1] D. Yvon et al., Design study of a scintronic crystal targeting tens of picoseconds time resolution for gamma ray imaging: the ClearMind detector, J. Instrum. 15 (2020) P07029

Le CPPM (CNRS et Aix-Marseille Université) a pour mission d'explorer et d'accroitre ses connaissances dans le domaine de la physique de la matière et de l'Univers.

Le Correspond Formation du CPPM est chargé de recueillir les besoins en formation du personnel afin de les retranscrire dans un document appelé Plan de Formation du L'Unité.

Missions

Le/la stagiaire rejoindra le service administratif du CPPM sous la responsabilité de Madame Isabelle Richer-Gonzalez, Correspondante Formation afin de l'assister dans la réalisation du plan de formation.

Activités principales

Le ou la stagiaire pourra réaliser les missions suivantes :

• Recueil des demandes de formation

• Établissement d'un bilan et de tableaux de bords des actions de formation passées

• Établissement du bilan des actions demandées / actions réalisées

• Aide à la rédaction du plan de formation de l'unité

• Diffusion de l'information et des annonces de formation

• Suivi des dossiers de demandes individuelles

Connaissances appréciées

• Droit de la formation

• Dispositifs de la formation continue

• Bonne maîtrise des outils bureautiques (Excel, Word, Powerpoint…)

• Techniques de présentation écrite et orale

Compétences opérationnelles

• Aptitudes relationnelles

• Capacités de synthèse et d'analyse

• Conception de tableaux de bord

Formations possibles

Ce stage conviendrait par exemple à un étudiant (Bac+1 ou Bac+2) préparant un diplôme en ressources humaines, un BTS ou un DUT Gestion des Entreprises et des Administrations (GEA) option « Ressources humaines ».

Stage pouvant aller de 4 et 7 semaines entre le 15 mai et 15 juillet 2023.

Contact : CV + lettre de motivation à Isabelle Richer-Gonzalez - Correspondant formation du CPPM

Tél : +33 4 91 82 72 26- Mél : richer@cppm.in2p3.fr

BelleII est un détecteur polyvalent du collisionneur SuperKEKB au Japon. Il a été conçu et construit afin de tester de nouveaux modèles de physique et rechercher les signatures de nouvelles particules. Le détecteur BelleII est un détecteur de particules qui mesure 7,5 m de long, 7 m de haut. Il est composé principalement d'un détecteur de vertex et d'un calorimètre. En augmentant la luminosité de l'accélérateur de particule SuperKEKB, le sous-ensemble Vertex de BelleII devra aussi évoluer et être mis à jour d'ici 2026.

Une collaboration internationale s'est ainsi structurée afin de réfléchir et concevoir cette jouvence du détecteur.

Au CPPM, un groupe d'une dizaine de physiciens, ingénieurs et techniciens est impliqué dans le projet BelleII et s'intéresse en particulier à l'évolution du détecteur de vertex (VXD), détecteur interne le plus proche du point d'interaction. Ce détecteur de traces (trajectographe) est destiné à suivre le passage des particules dès leur formation.

La brique élémentaire du trajectographe est un circuit intégré spécifique (ASIC) matriciel de plusieurs millions de transistors. Ce circuit opère comme un appareil photo à pixels, qui doit prendre une image de la détection des particules. Plusieurs contraintes de conception sont imposées sur l'électronique, comme la surface, la rapidité, la consommation et la précision. De plus, afin de fonctionner en toute autonomie, le circuit a besoin de fonctions générales, comme un «~bandgap reference~», un capteur de température, un buffer analogique et son ADC, des circuits numériques de décisions et mémoires, ou encore un système de distribution des alimentations ou polarisations des étages. Des étages d'entrée/sortie à hautes vitesses comme les standards LVDS ou CML seront aussi intégrés.

Activités principales

Dans un premier temps, le/la stagiaire doit mener une recherche bibliographique détaillée sur le circuit servant de référence au projet (TJ-MONOPIX2) ainsi que sur les détecteurs à pixels monolithiques et sur les fonctions générales. Ensuite, il lui sera proposé d'étudier et concevoir une des fonctions qui soit le mieux adaptée à l'application selon le cahier des charges fourni.

En fonction de l'avancement du projet, le/la stagiaire aidera l'équipe de conception à finaliser le circuit prototype OBELIX, pour une fabrication courant 2024.

• Etude bibliographique sur les architectures de la fonction.

• Conception, simulation sous Cadence

• Dessin des masques (Layout)

• Simulation post-layout

• Des tests sur d'anciens circuits sont à prévoir

Connaissances requises

• Bonnes connaissances en conception de CI en technologie CMOS

• Connaissance dans la manipulation d'instruments de mesure

Contact : CV + lettre de motivation avec la référence « Ingenieur-2324-EL-01 » à

Frédéric HACHON, Ingénieur de Recherche - Correspondant stages techniques du CPPM Tél : +33 4 91 82 76 71- Mél : hachon@cppm.in2p3.fr

Le stage de 6 mois sera conventionné et rémunéré.

Le Centre de Physique des Particules de Marseille, unité mixte de recherche CNRS/Aix-Marseille Université a conçu et livré le système d'acquisition des données de l'expérience LHCb : lecture de l'ensemble des données (30 Tbits/s) des sous-détecteurs via 10000 liens optiques à 10 Gbits/s, traitement en temps réel puis envoi vers une ferme de calcul. Le CPPM développe à présent la prochaine génération qui devra atteindre une puissance de calcul 10 fois supérieure au système actuel. Pour parvenir à cela, Intel nous confie, en avant-première, son plus puissant FPGA doté de 4 millions d'éléments logiques et de transceiver capables de transmettre jusqu'à 112Gb/s.

Activités principales

Il s'agit de participer à la caractérisation de la carte prototype du futur système. La mission proposée sera définie avec le/la candidat(e), selon ses goûts et ses connaissances~: développement de logiciels, de firmwares ainsi que des techniques d'instrumentation et simulation.

• Mesure du diagramme de l'œil en temps réel pour vérifier la qualité des

liens sériels~

• Mesures de la consommation électrique et dissipation thermique de la carte

• Firmware pour la distribution d'horloge avec une précision 0 (10)ps

• Mise au point d'un banc de test de l'interface sérielle avec protocole du

CERN

• Conception de driver C++ pour interfacer les bus PCIe, JTAG de la carte

• Système de monitoring automatique de la carte (courants, tension,

température)

• Application, en langage Python, pour configurer les périphériques de la

carte

• Développement de routines de tests avec Pytest pour l'automatisation de

bancs de tests

• Développement d'application pour co-processeur ARM intégré au FPGA

Le ou la stagiaire sera accueilli(e) au sein du service électronique du CPPM qui possède un savoir-faire étendu dans la conception de carte FPGA à haute densité. Le travail s'effectuera dans un environnement de recherche international, en intéraction forte avec les équipes de Intel, quelques déplacements au CERN (Genève) seront possibles pour des réunions de collaboration.

Connaissances appréciées

Les compétences suivantes seront appréciées, et une formation sur les outils utilisés sera donnée~:

• Utilisation d'appareils de mesure~: Serial Data analyser, analyseur de

spectre

• Simulations intégrité de signal et de puissance

• Électronique analogique, numérique et transmission de signaux rapides

• Conception de firmware FPGA en langage VHDL en utilisant Quartus

• Conception logicielle, langage Python (Polars, Pytest), C++ et

éventuellement PyQt

Contact : CV + lettre de motivation avec la référence « Ingenieur-2324-EL-03 » à

Frédéric HACHON, Ingénieur de Recherche - Correspondant stages techniques du CPPM Tél : +33 4 91 82 76 71- Mél : hachon@cppm.in2p3.fr

Le stage de 6 mois sera conventionné et rémunéré

Le stage se déroule au Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM). C'est est une unité mixte de recherche (UMR 7346) qui relève de l'IN2P3, institut regroupant les activités de physique des particules et de physique nucléaire au sein du CNRS et d'Aix-Marseille Université.

Le CPPM participe depuis plusieurs années au projet à l'expérience ATLAS du CERN à Genève, au sein d'une collaboration internationale de plus 3 000 scientifiques issus de 174 instituts, représentant pas moins de 38 pays.

L'un des grands challenges techniques au niveau de l'expérience ATLAS réside dans l'augmentation du nombre de données à acheminer depuis le détecteur vers les centres de calculateurs et les circuits intégrés spécifiques très haut débit et durcis contre les irradiations sont des éléments essentiels pour la transmission de ces données.

Le CPPM fait partie d'une collaboration R\\&D du CERN (RD53) pour le développement de la puce électronique de lecture des détecteurs à pixels pour les futures mises à niveau concernant l'ensemble des expériences du LHC. Cette puce a été développée avec le process CMOS 65 nm et comporte 160000 pixels de 50×50 µm2.

La haute luminosité anticipée dans le cadre des futurs upgrades du LHC ou pour les prochaines générations de collisionneurs se manifeste par un très fort taux de hits par unité de surface au niveau des différents détecteurs et particulièrement dans le cas des détecteurs à pixels proches du point d'interaction. Dans ce contexte, une bonne précision spatiale qui passe par la réduction de la taille des pixels s'avère indispensable. L'ajout d'informations temporelles de haute précision à la précision spatiale existante (4D tracking), est une caractéristique intéressante qui pourrait ouvrir la voie à de nouvelles améliorations de la reconstruction des traces.

Activités principales

Le but du stage est de proposer une architecture de l'étage frontal analogique de détection de charge composé d'un l'amplificateur de charge et d'un discriminateur. L'objectif est d'atteindre une résolution temporelle de 50 ps tout en maintenant une consommation réduite et un niveau de bruit électronique compatible avec les exigences du seuil d'énergie requis dans le détecteur de traces.

Le stage de 6 mois sera organisé en plusieurs étapes :

• Etude du système de détection de traces actuel utilisé pour ATLAS

• Etude, conception et optimisation du circuit amplificateur de charge

actuel avec le process CMOS 28 nm

• Simulation et optimisation du circuit sous Cadence Virtuoso

• Dessin des masques sous Cadence

Connaissances requises et appréciées

• Bonnes connaissances en conception de circuits analogiques CMOS

• Le développement de bancs de test basés sur des composants programmables

de type FPGA est considéré comme un avantage

Suite au stage : possibilité de poursuite en Thèse de Doctorat

Contact : CV + lettre de motivation avec la référence « Ingenieur-2324-EL-02 » à

Frédéric HACHON, Ingénieur de Recherche - Correspondant stages techniques du CPPM Tél : +33 4 91 82 76 71- Mél : hachon@cppm.in2p3.fr

Le CPPM travaille notamment sur l'expérience ATLAS basée au CERN à Genève. Cette collaboration internationale comprend 3 000 scientifiques issus de 174 instituts, représentant pas moins de 38 pays. Une de ses missions est notamment d'œuvrer pour l'horizon 2029 à une mise à niveau de l'électronique de lecture du calorimètre à argon liquide du détecteur ATLAS.

Une équipe d'Ingénieurs et physiciens du CPPM travaille sur la réalisation d'un tout nouveau système d'acquisition de données et de trigger appelé le processeur LASP. Ce projet consiste à développer une carte prototype au format ATCA à base de deux FPGA INTEL~Agilex et un contrôleur MAX10 ainsi que d'une vingtaine de modules optiques. Cette carte calculera en temps réel les énergies déposées dans le calorimètre suite aux collisions dans le LHC. L'un des défis de cette carte est le fait qu'elle doive traiter une énorme quantité de données (500 Gb/s par FPGA), tout en calculant l'énergie en moins de 125 ns. L'arrivée de la carte est prévue pour mi 2024.

Activités principales

Il s'agit de participer au développement de firwmwares VHDL de tests sur MAX10 et sur AGILEX. Ces firmwares permettront de tester les fonctionnalités des FPGA sur le premier prototype de carte électronique. Ces fonctionnalités concernent les moyens de dialogue UART, I2C et SPI avec différents contrôleurs. Mais elles concerneront aussi l'analyse des liaisons sérielles à très haut débit. Ces firmwares seront validés sur kit développement équipé du même FPGA que la carte LASP. Ils interviendront également dans l'élaboration d'un banc de test de performances.

Activités envisagées durant le stage :

• Configuration de la séquence des alimentations des FPGA

• Interfaçage avec les périphériques de la carte (senseurs et interfaces

optiques)

• Acquisition via des bus I²C des valeurs senseurs de températures,

courants, tensions

• Système de monitoring automatique des valeurs analogiques de la carte

• Drivers en C pour permettre au MAX10 de dialoguer avec différents

contrôleurs

• Firmware FPGA pour l'envoi et la réception de données sérielles sur

plusieurs voies

• Caractérisation par diagramme de l'oeil de ces signaux sériels

Le ou la ou la stagiaire sera accueilli(e) au sein du service électronique qui possède un savoir-faire étendu dans la conception de cartes à haute densité et en firmware FPGA. Des déplacements au CERN à Genève seront possibles pour présenter les activités lors de réunions de collaboration.

Connaissances requises

• Bonnes bases en électronique numérique, analogique, instrumentation et

mesures

• Développement de firmwares FPGA en VHDL sous Intel Quartus

• Développement de sofwares embarqués en C sur cible microcontrôleur

• Rédaction de procédures de tests et de rapports

• Maîtrise des outils bureautiques et de l'anglais technique

Contact : CV + lettre de motivation avec la référence « Ingenieur-2324-EL-04 » à

Frédéric HACHON, Ingénieur de Recherche - Correspondant stages techniques du CPPM Tél : +33 4 91 82 76 71- Mél : hachon@cppm.in2p3.fr

Le stage de 6 mois sera conventionné et rémunéré.

Dans le cadre d'une infrastructure sous-marine complexe destinée à s'agrandir, nous souhaitons optimiser les futurs Noeuds, de grosses structures en titane distribuant l'énergie et les fibres optiques vers des lignes de détection à neutrinos de 200m de haut.

Ces Noeuds, immergés à 2500m de fond, auront pour base les deux structures précédemment immergées. Il s'agira de les optimiser : châssis, systèmes de connexion des interlinks opérables par sous-marin, prise en compte des évolutions imposées. L'étude doit concerner également l'aspect réalisation (contraintes, coûts, moyens, etc) et s'assurer de la conformité aux impératifs des opérations en mer.

L'astronomie des neutrinos et activités pluridisciplinaires dans le cadre du projet KM3-NeT / Numerenv. Les télescopes à neutrino ont pour but d'étudier les neutrinos cosmiques de haute énergie avec un réseau de photo-détecteurs installé au fond de la mer.

Pour alimenter ces lignes de détections, des connecteurs hybrides sont utilisées et la connexion est faite par des petits robots sous-marins.

Nous nous inspirons d un outillage de démultiplication utilisé au laboratoire en augmentant la démultiplication.

L'élève travaillera en étroite collaboration avec un ingénieur. Des études en CAO seront confiées ainsi que du suivi de sous traitance .

Dans le cadre de l extension de l infrastructure KM3-Net , un manifold est en cours de conception. les efforts de connexion / deconnexion étant important un outillage est a étudier. Connaissance et pratique du logiciel CATIA fortement apprécié.

La mission Euclid (http://www.euclid-ec.org) est un projet majeur de l'ESA qui a lancé en juillet 2023 un télescope spatial dédié à la compréhension de l'Univers et réalisera une cartographie de tout le ciel. D'une précision jamais atteinte auparavant, ces mesures des grandes structures de l'Univers lointain permettront de tester le modèle cosmologique et en particulier de questionner la nature de l'énergie noire. La cartographie sera obtenue grâce au spectrophotomètre NISP et les 16 détecteurs infrarouges de son plan focal dont le CPPM a réalisé la calibration au sol, étape fondamentale pour valider les performances de l'instrument.

Activité principale

Les détecteurs infrarouges du NISP ont été développés expressément pour la mission Euclid. À la pointe de la technologie, chacun est constitué d'une matrice de 2048 x 2048 pixels. Leur calibration fine a été réalisée au CPPM et a donné lieu à l'enregistrement de 500 To de données à analyser. Ces données montrent clairement la présence de persistance qui vient polluer les données pendant plusieurs heures d'acquisition. Afin d'acquérir une meilleure compréhension du phénomène, l'ingénieur/l'ingénieure-stagiaire cherchera à caractériser la persistance et à comprendre l'influence des paramètres environnementaux sur celle-ci.

Pour ce faire, l'ingénieur/l'ingénieure-stagiaire devra~appliquer des méthodes d'analyse classiques ou plus sophistiquées suivant les étapes :

Implémenter les méthodes choisies en python

Extraire des grandeurs comme les constantes de temps et amplitudes à partir des données de calibration existantes

Analyser les corrélations entre la persistance et les données environnementales

Faire la même étude sur un détecteur de technologie différente et comparer les résultats

Connaissances requises

Base solide en programmation en langage python

Bonnes connaissances en traitement du signal

Bonnes connaissances en physique du semi-conducteur

Le stage de 6 mois sera conventionné et rémunéré. Il pourra être poursuivi en thèse avec un financement CNES (demande en cours).

Contact~: CV + lettre de motivation à

Aurélia Secroun, Ingénieure Chercheure

Tel : 04 91 82 72 15 mail : secroun@cppm.in2p3.fr

Le Centre de Physique des Particules de Marseille est une unité mixte de recherche (UMR 7346)dépendante du CNRS et d'Aix-Marseille Université, qui déploie ses activités de recherche à la fois dans le domaine de la physique fondamentale et aussi pour des applications basées sur les rayonnements ionisants.

Les circuits de satiété ou d'addiction sont pilotés dans le cerveau par des boucles de contreréaction négative ou positive utilisant des neurotransmetteurs. Ces circuits peuvent être imagés en tomographie par émission de positons (TEP) grâce au marquage de neurotransmetteurs par des ions radioactifs émetteurs de positons, comme par exemple la cocaïne marquée au 11C.

Cependant, les examens TEP requierent d'anesthésier le sujet, ce qui ne permet pas de rendre compte du comportement réel du cerveau en conditions d'éveil.

Le CPPM participe au projet MAPSSIC, qui consiste à développer une sonde intracrânienne de pixels CMOS pour l'imagerie de positons chez le rat vigile et libre de ses mouvements. La sonde IMIC, qui forme une aiguille de plusieurs centaines de pixels CMOS actifs, a été développée par l'IPHC à Strasbourg pour être implantée de manière permanente dans le cerveau d'un rat qui,muni d'un sac à dos comprenant une pile et un émetteur sans fil relié aux pixels CMOS, permettra de d'imager directement les positons émis lors de la désintégration des noyaux d'un traceur radioactif attachés aux molécules du neurotransmetteur étudié.

Activité principale :

Le (la) stagiaire sera intégré(e) au projet MAPSSIC participera à l'étude du design et à la mise en oeuvre d'une solution sans fil permettant d'assurer le contrôle-commande et la transmission des données recueillies simultanément par 4 sondes IMIC vers un PC d'acquisition. Le but du stage sera d'optimiser la consommation de courant su système. Les composants mis en jeu sont : µC stm32, nrf24 et flash winbond.

Le système principal est programmé en rust.

Cette solution sans fil devra être embarquée dans un sac à dos adapté à la corpulence d'un rat et pouvoir atteindre une autonomie de plusieurs heures correspondant à plusieurs périodes de décroissance du traceur radioactif utilisé pour marquer le neurotransmetteur.

Profil recherché :

- Pratique ou intérêt pour Rust

- Pratique du langage C/C++

- Programmation systèmes embarqués (µC) en C/C++

- Connaissance de python est un plus

Le stage de 6 mois sera rémunéré.