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Atlas
Etude des propriétés du boson de Higgs avec le détecteur ATLAS au LHC
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Directeur de thèse :
Emmanuel MONNIER - +33 4 91 82 72 69 - monnier@cppm.in2p3.fr
Description :

English Version: Physics at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN (European Organization for Nuclear Research) is the high priority research field of the Particle Physics community worldwide. ATLAS is one of the two general purpose experiments installed at the LHC that discovered a Higgs boson in July 2012, key piece for the understanding of the fundamental interactions and the origin of elementary particle mass. Its physics program extends beyond Higgs property measurements to the search for signs of physics beyond the Standard Model of particle physics.


The ATLAS group of the “Centre de Physique des Particules de Marseille” (CPPM) is deeply involved in this scientific program, in particular linked to its expertise of the electromagnetic calorimeter. The latter is a key component for the identification and energy measurement of electrons and photons, which were at the core of the Higgs boson discovery. It is also at the forefront of this boson studies and of the supersymmetry searches in the ongoing data taking campaign, so called “Run 2”, with major consequences in several analyses with leptons in their final states. Moreover, for the upgrade of the accelerator performances foreseen in 2021, this calorimeter has a major ongoing development program to dramatically upgrade its trigger and readout to which the CPPM group actively contributes.


In the Standard Model, the Higgs boson is highly coupled to the top quark, the known particle with the largest mass. The only way to directly measure this Higgs-top coupling (called top Yukawa coupling) is to observe the associated production of a Higgs boson with top quarks. This will be accessible for the first time with the “Run 2” data that are taken since 2015 and until 2018. This key measurement, and more generally the Higgs properties studies are of high importance since they would allow to confirm that the observed boson is the Standard Model Higgs boson, or could reveal New Physics.


The goal of this thesis is on the one hand to exploit the “Run 2” data set to get the best sensitivity on the Higgs property measurements and in particular the Yukawa coupling. The student will focus on the Higgs property measurement in multilepton final states (electron or muon). The “Run 2” data taking conditions at the LHC (proton-proton collision center of mass energy increased to 13 TeV, high luminosity) are particularly suited for these measurements. The sensitivity to the sub-dominant Higgs production modes – particularly its associated production with top quarks – is increased, allowing for refined measurements of the Higgs boson properties. On the other hand and in parallel, the student will also contribute to the electromagnetic calorimeter upgrade, and in particular, to the study of its upgraded configuration, first exploiting data taken with a prototype installed for the 2018 data taking, then contributing to the installation and commissioning of its final system, and finally to its validation and performances assessment with the first Run 3 data in 2021.


In this framework, the student will have to do frequent stays at CERN and the research work will combine physics analysis on real and simulated data as well as studies and operation of experimental systems.


French Version: La physique auprès du Large Hadron Collider (LHC) du Centre Européen de Recherche Nucléaire (CERN) constitue aujourd'hui l'axe de recherche prioritaire de la communauté mondiale en physique des particules. ATLAS, l'une des deux expériences généralistes installées auprès de cet accélérateur, a découvert un boson de Higgs en juillet 2012, pièce essentielle pour la compréhension des interactions fondamentales et en particulier l'origine de la masse. Son programme de physique est néanmoins plus vaste et s'étend à l'étude des propriétés du boson de Higgs et plus généralement à l'obtention des premiers signes de physique au-delà du Modèle Standard de la physique des particules.


Le groupe ATLAS du Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM) est fortement impliqué dans ce programme scientifique, avec notamment une expertise liée au calorimètre électromagnétique. Ce dernier est un élément clé pour l'identification et la mesure de l'énergie des électrons et des photons, qui ont fait le succès de la découverte du boson de Higgs. Il est également en pointe sur l'étude de ce boson et la recherche de supersymétrie dans la campagne de prise de données actuelle, dite « Run 2 », avec des implications majeures dans plusieurs analyses avec des leptons dans l'état final. De plus, en vue de l'amélioration des performances de l'accélérateur prévue pour 2021, ce calorimètre fait l'objet d'un important programme d'évolution de son système de lecture et de déclenchement auquel participe activement le groupe du CPPM.


Dans le Modèle Standard, le boson de Higgs se couple préférentiellement avec le quark top, particule élémentaire la plus massive jamais découverte. Le seul moyen de mesurer directement ce couplage (dit couplage de Yukawa du top) est d'observer la production associée du Higgs avec des quarks top. Cela sera accessible pour la première fois avec les données du « Run 2 » qui sont prises depuis 2015 jusqu'en 2018. Cette mesure et plus généralement, l'étude des propriétés du boson de Higgs sont très importantes, car elles peuvent confirmer que le boson observé est bien le boson de Higgs du Modèle Standard ou pourrait révéler de la nouvelle physique.


Le sujet de cette thèse est d'une part d'exploiter la prise de données du « Run 2 » pour obtenir la meilleure sensibilité sur ces mesures des propriétés du boson de Higgs, en particulier sur la mesure du couplage de Yukawa. L'étudiant(e) axera son travail d'analyse sur la mesure des propriétés du boson de Higgs dans les états finals à plusieurs leptons (électrons ou muons). Les conditions de la prise de données « Run 2 » au LHC (énergie dans le centre de masse des collisions protons-protons accrue à 13 TeV, grande luminosité) sont particulièrement favorables pour ces mesures. En effet, la sensibilité aux productions sous-dominantes du boson de Higgs – notamment en association avec une paire de quarks top - est accrue, permettant des mesures plus fines des propriétés du boson de Higgs. D'autre part et en parallèle, l'étudiant contribuera au programme d'amélioration du calorimètre électromagnétique, et en particulier, étudiera ses performances dans sa configuration optimisée, d'abord en exploitant les données prises avec un prototype installé sur le détecteur pour la prise de données 2018, puis en contribuant à l'installation et à la mise en œuvre du système final et enfin à sa qualification et à l'établissement de ses performances avec les premières données du Run 3 en 2021.


Dans ce cadre l'étudiant sera amené à effectuer de nombreux séjours au CERN, et son travail de recherche combinera des analyses de physique (sur données et simulation) ainsi que l'étude et la mise en œuvre de systèmes expérimentaux.


Mots clefs :
Physique des particules
Code :
Doctorat-1821-AT-01
Belle II
Search for tau lepton flavour violating decays at Belle II
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Directeur de thèse :
Justine Serrano - 0033 4 91 82 72 80 - serrano@cppm.in2p3.fr
Description :

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 bs b \to s and bc b \to c processes, the interest of tau lepton flavor violating decays has been greatly reinforced. In particular, several new physics models predict branching fractions of τμμμ \tau\to\mu\mu\mu and τμγ \tau\to\mu\gamma just below the current experimental limits.


The Belle II experiment located at KEK, Japan, has just started physics data taking, aiming at collecting 50 times more data than its predecessor, Belle, by 2027. Thanks to its clean environment and high τ+τ \tau^+ \tau^- cross section, it provides an ideal environment to study tau decays. The goal of this phD is to analyze the first Belle II data in order to obtain the best experimental limits on the lepton flavor violating decays τ \tau\to\ell\ell\ell , where =e,μ \ell = e,\mu . Additional decays such as τγ \tau\to\ell\gamma or τh \tau\to\ell h , h being a hadronic system, could also be studied.


This phD will take place at CPPM, Marseille (https://www.cppm.in2p3.fr/web/en/index.html). Travels to KEK for collaboration meetings, and longer stay for participation to the data taking, are foreseen.


The funding of this phD is provided by an ERC grant obtained by Justine serrano.
Contract Period : 36 months
Expected date of employment : 1 October 2019
Remuneration : 2135 € monthly gross


Applicants must hold a Master degree (or equivalent) in Physics, or expect to hold such a degree by the start of employment. Application including a CV, grade records, a motivation statement and contacts of three possible persons to supply letter of recommendation should be sent by June 21st to Justine Serrano 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


Mots clefs :
Physique des particules
Code :
Doctorat-1922-BE-01
KM3NeT
Study of Neutrino Mass Ordering with data of the KM3NeT/ORCA deep sea Neutrino Detector
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Directeur de thèse :
Paschal COYLE - office: 0491827253, portable: 0675713799 - coyle@cppm.in2p3.fr
Description :

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 low energy (3-100 GeV) atmospheric neutrinos and will allow precision studies of neutrino properties including the neutrino mass ordering. ORCA is part of the multisite KM3NeT research infrastructure, which also incorporates a second telescope array (in Sicily) optimised for the detection of high-energy cosmic neutrinos. The first ORCA detection strings have recently been deployed and are providing high quality data.


During this thesis, at the Centre de Physique des Particules de Marseille, the student will develop the analysis methods for a preliminary estimation of the neutrino mass ordering with the first years of ORCA data.


There is also the possibility of a related M2 stage on this project.


Links: http://antares.in2p3.fr http://www.km3net.org http://www.cppm.in2p3.fr/rubrique.php3?id_rubrique=259


Mots clefs :
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Code :
Doctorat-1821-KM-01
Measurement of atmospheric neutrino oscillations with early KM3NeT/ORCA data
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Directeur de thèse :
Jürgen Brunner - 0491827249 - brunner@cppm.in2p3.fr
Description :

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 low energy (3-100 GeV) atmospheric neutrinos and will allow precision studies of neutrino properties. The first ORCA detection strings will be deployed late 2018 or early 2019.


The student will actively participate in the data taking of the ORCA detector and analyse those data. The goal of the thesis is to extract a clean signal of upgoing atmospheric neutrinos, to demonstrate that these data are affected by the phenomenon of neutrino oscillations and to measure the relevant oscillation parameters. Links: http://antares.in2p3.fr http://www.km3net.org http://www.cppm.in2p3.fr/rubrique.php3?id_rubrique=259


Mots clefs :
Physique des particules
Code :
Doctorat-1922-KM-02
Real-time multi-messenger analysis with KM3NeT
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Directeur de thèse :
Damien Dornic, Vincent Bertin - 04 91 82 72 86 - dornic@cppm.in2p3.fr , bertin@cppm.in2p3.fr
Description :

Neutrinos are unique messengers to study the high-energy Universe as they are neutral and stable, interact weakly and therefore travel directly from their point of creation to the Earth without absorption. Nowadays, the sources of very high-energy cosmic rays are still unknown. The detection of a neutrino signal is a direct evidence of the sources and the proof of the hadronic mechanism that produced the cosmic rays.


KM3NeT is the second-generation neutrino detector in the Mediterranean Sea. It will be distributed in two sites: a low energy site ORCA in France (5 GeV-10 TeV) and a high energy site ARCA in Italy (1 TeV-10 PeV). Both detectors will have a sensitivity largely improved compared to ANTARES at low and high energies. The French site is located at 2500 m depth in the Mediterranean Sea, 40 km off Toulon close-by ANTARES. The infrastructure is already deployed in both sites and the first lines should be deployed by the end of 2018. The completion of the KM3NeT is expected to be achieved around 2023. High-energy neutrino physics is a young and an almost unexplored field, which owns much discovery potentials. IceCube, a complementary neutrino detector in the South Pole has already discovered the first cosmic neutrinos. This guaranties to have neutrino signal detections in KM3NeT.


The main goal of the thesis is to develop the real-time multi-messenger analysis in the two KM3NeT detectors to look for transient sources such as flares of blazar, gamma-ray bursts, fast radio bursts, supernovae… To achieve this goal, the student will work in the development of the real-time analysis framework. The student will have to implement efficient selection of neutrinos over the atmospheric backgrounds. These neutrino streams can then be used to look for time and space correlation with external triggers from electromagnetic transients, gravitational waves and high-energy neutrinos. For the most interesting neutrinos, the student will also participate to the development of the alert sending system and the multi-wavelength follow-ups (radio, visible, X-ray and VHE). With this method, one neutrino could lead to a major discovery. In addition to the track event topology resulting from muon neutrino events, already exploited by ANTARES, KM3NeT event reconstructions will allow using cascade events (electron and tau neutrinos) with a quite good angular precision. As CPPM is the host lab of KM3NeT, the student will participate to the installation during sea campaigns, the calibration and the data analysis of the first lines. The candidate should therefore have a good background in astroparticle physics and astrophysics and interest in the data analysis. The analyses will be performed using C++, python and Root on Linux platforms.


[1] KM3NeT: http://www.km3net.org [2] https://www.cppm.in2p3.fr/web/fr/recherche/astroparticules/


Mots clefs :
Astroparticules
Code :
Doctorat-1922-KM-01
LHCb
Studies of lepton flavour universality in B meson decays at LHCb
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Directeur de thèse :
Anton Poluektov - 0491827602 - poluektov@cppm.in2p3.fr
Description :

Hints on violation of lepton flavour universality seen in the studies of B meson decays are some of the strongest evidences for the effects of physics beyond the Standard Model of electroweak interactions. The LHCb group at CPPM has been actively involved in these studies.


The candidate will join the LHCb experiment at the LHC collider at CERN and will play an active role in the programme of lepton flavour universality tests with semitauonic beauty hadron decays at LHCb.


During the PhD project, the candidate will carry out the analysis of the structure of multibody decays of B mesons to the final states containing two charmed mesons. The study will provide an important input to the analysis of semitauonic B decays, where doubly charmed B decays constitute a significant background. It will also serve as a testbed for innovative analysis approaches using novel machine learning techniques. In addition, the candidate will participate in the development of particle identification calibration techniques, both with the currently available LHCb data and for the LHCb upgrade as a part of our involvement in the Real-Time Analysis project (RTA).


Mots clefs :
Physique des particules
Code :
Doctorat-1922-LH-01
Renoir
Etalonnage photométrique à la précision du millième du relevé LSST à l'aide des données de GAIA
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Directeur de thèse :
Fabrice Feinstein - 04 91 82 72 83 - feinstein@cppm.in2p3.fr
Description :

L'accélération de l'expansion de l'Univers a été découverte il y a vingt ans, grâce à l'utilisation des supernovas de type Ia (SN Ia) comme chandelles standards. Le constituant responsable de cette accélération, qui représente 68 pour cent de la densité de l'Univers, a été appelé énergie noire. Ce phénomène qui domine la dynamique de l'expansion reste cependant énigmatique.


Le CPPM propose un sujet de thèse sur l'exploitation des données photométriques et spectro-photométriques du satellite GAIA pour l'étalonnage ultra-précis du futur Large Synoptic Survey Telescope (le LSST). Par son ampleur (la moitié de la voute céleste couverte, tout le ciel observé chaque deux semaines) et la précision de son instrumentation, le LSST va révolutionner notre connaissance de la cosmologie. L'équipe du CPPM qui prépare l'analyse du LSST est constituée de deux permanents et de trois jeunes chercheurs. Comme les autes membres de l'équipe, le candidat rejoindra la Dark Energy Science Collaboration (DESC), associée au LSST, qui se réunit aux Etat-Unis deux fois par an.


Le LSST observera plusieurs dizaines de milliers de SN Ia dans les conditions optimales d'un instrument de photométrie de précision sur le ciel du Chili. Ces observations permettront de construire un diagramme de Hubble avec une statistique de SN Ia 20 à 100 fois supérieure à celle des diagrammes actuels qui en contiennent 700. Pour tirer le meilleur parti de cette statistique, il convient d'obtenir une précision photométrique de l'ordre de 1 pour mille. Cette précision est nécessaire pour limiter les biais dans la détermination de la distance lumineuse des SN Ia et de leur galaxie hôte.


Les meilleurs relevés photométriques au sol obtiennent actuellement une précision de l'ordre de 5 pour mille. Dans cette thèse, nous allons tirer parti des données du relevé spatial GAIA. Ses données photométriques et spectrophotométriques ne sont pas affectées par l'atmosphère et couvrent l'ensemble de la voute céleste avec un instrument stable. Au CPPM, nous développons des méthodes et des outils de simulation qui s'ancreront sur les résultats de GAIA, afin de corriger la variabilité des observations de LSST. Cette variabilité provient d'une part de l'absorption de l'atmosphère plus ou moins humide et chargée en poussière au cours des nuits et des saisons. D'autre part l'instrument lui-même varie avec le temps : gain de la caméra, rélectivité des miroirs, etc.


Il s'agit donc de développer et de tester sur des simulations, des méthodes d'analyses qui tirent parti des centaines de millions d'étoiles stables qui seront observées en commun par GAIA et LSST. En plus des moyens communs à tous les laboratoires de l'Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules (IN2P3), comme le centre de calcul de Lyon, le candidat aura accès à un calculateur dédié installé au CPPM, de type HPC, équipé de 800 cœurs et de 500 à 1500 GB de RAM. Cette machine est particulièrement adaptée aux développements de telles méthodes.


Le calendrier de la thèse (2019-2022) permettra de tirer parti de GAIA qui a déjà des résultats et de tester les méthodes d'étalonnage de la photométrie du LSST sur les premières observations qui débuteront en 2020. A l'issue de sa thèse, le candidat sera en excellente position, au sein de DESC, pour contribuer fortement à l'analyse des premières SN Ia de LSST qui donneront, sur l'accélération de l'expansion, des résultats déjà compétitifs avec ceux des relevés précédents.


Mots clefs :
Cosmologie observationnelle
Code :
Doctorat-1922-RE-01
imXgam
Développement d'un cristal « scintronique » pour les applications d'imagerie ultra-rapide de rayons gamma
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Directeur de thèse :
Christian Morel - 0491827673 - morel@cppm.in2p3.fr - - - -
Description :

Le projet ClearMind a pour but de développer un détecteur monolithique de rayons gamma (0.5 MeV à quelques MeV) de grande surface (<= 25 cm2), de grande efficacité et de hautes résolutions spatiale (< 4 mm3 FWHM) et temporelle (< 20 ps FWHM) dans le but d'améliorer les performances des tomographes à émission de positons à temps-de-vol (TOF-TEP), mais aussi la réalisation de caméras Compton innovantes utilisées comme gamma-caméras pour l'imagerie des gammas prompts en hadronthérapie et de la radioactivité lors d'opérations de démantèlement nucléaire.


Ce détecteur sensible à la position est constitué d'un cristal scintillant sur lequel est directement déposée une couche photoélectrique d'indice de réfraction supérieur à celui du cristal. Ce cristal « scintronique », qui allie scintillation et génération de photoélectrons, permet d'optimiser la transmission des photons de scintillation et des photons de lumière Cherenkov à la couche photoélectrique. Par rapport aux montages classiques, un gain d'un facteur 4 sur la probabilité de transmission des photons optiques entre le cristal et la couche photoélectrique est attendu. Le cristal sera encapsulé avec un tube multiplicateur à galette de micro-canaux (MCP-MT) afin d'amplifier le signal et d'optimiser le temps de transit des photoélectrons vers le plan d'anodes de détection (densément pixélisé) et ainsi les résolutions temporelle et spatiale de la chaîne de détection. L'objectif de la thèse est de participer au développement et à la caractérisation de ce module de détection en collaboration avec l'IRFU à Saclay, de le modéliser avec l'outil de simulation Monte Carlo GATE dans le but d'évaluer l'impact de cette nouvelle approche sur les performances d'un imageur TOF-TEP, et à terme corps entier.


Mots clefs :
Instrumentation
Code :
Doctorat-1922-IM-01