Le groupe ATLAS du CPPM joue un rôle de premier plan dans la recherche de nouvelle physique auprès du Large Hadron Collider (LHC). Le groupe est fortement impliqué dans la recherche de la production de paires de bosons de Higgs, une signature cruciale pour mieux comprendre le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible. La découverte du boson de Higgs en 2012 au LHC a marqué une étape majeure dans notre compréhension de la physique des particules, mais de nombreuses questions restent sans réponse.

La recherche d'une nouvelle particule se désintégrant en une nouvelle particule scalaire accompagnée d'un boson de Higgs donne des états finaux semblables à ceux attendus pour la production d'une paire de boson de Higgs et fait naturellement partie de cet effort. La production associé Z^0 H peut aussi donner des états finaux similaires et constitue un bruit de fond irréductible aux deux recherches mentionnées plus haut. Dans ce contexte, l'amélioration de l'identification des photons au sein du calorimètre à argon liquide d'ATLAS est essentielle. Le candidat aura l'opportunité de contribuer à ces efforts en travaillant sur les données réelles collectées lors du Run 3 du LHC, qui se terminera en 2026. Cette expérience lui permettra d'acquérir une expertise solide dans l'analyse de données expérimentales et de développer une compréhension approfondie du fonctionnement des calorimètres.

Fort de cette expérience, le candidat s'intéressera ensuite à la recherche de nouvelles particules auprès du futur collisionneur circulaire (FCC). Le FCC est un collisionneur électron-positron en projet. D'une circonférence de 91 km, il sera situé 200 mètres sous la frontière franco-suisse près de Genève. Son démarrage, espéré en 2045, offrirait des opportunités uniques pour rechercher les signes de nouveaux phénomènes, même lors de la première période d'exploitation, prévue à l'énergie du pole du Z^0, à une énergie totale de 91 GeV. En effet, grâce à sa luminosité inédite de 2 ?10?^36 cm^(-2) s^(-1) à cette énergie, les quatre expériences prévues enregistreront un total de 5 ?10?^12 désintégrations du Z^0, ouvrant ainsi la voie à la recherche de ses désintégrations les plus rares.

L'une des pistes les plus prometteuses est la recherche des ALP (Axion Like Particles) [1] dans les désintégrations du Z^0 [2][3]. Les ALP, prédits par de nombreuses théories au-delà du Modèle Standard, sont des candidats pour constituer la matière noire ou être des médiateurs d'interaction entre un secteur dit sombre et les particules connues. Au FCC, la production associée d'ALP avec des photons ou des bosons de jauge, suivie de leur désintégration en deux photons ou deux fermions chargés, constitue une signature prometteuse pour leur découverte et similaire à la signature de paires de bosons de Higgs dans lequel le groupe ATLAS du CPPM est expert.

Le cœur d'analyse de cette thèse portera sur l'évaluation de la sensibilité du détecteur concept ALLEGRO à la production d'ALP. En utilisant des simulations Monte Carlo détaillées, le candidat étudiera les différentes signatures expérimentales des ALP et développera des stratégies d'analyse optimisées pour maximiser la sensibilité de l'expérience. Grâce à la finesse de la granularité du calorimètre à argon liquide prévu pour ALLEGRO, une attention particulière sera portée à la reconstruction des vertex déplacés des désintégrations des ALP de faible masse, une région de l'espace des paramètres particulièrement intéressante pour explorer de nouveaux scénarios de physique au-delà du Modèle Standard.

Les candidatures doivent inclure un CV, une lettre de motivation, les relevés de notes de la licence au master et les contacts de deux personnes de référence prêtes à fournir des lettres de recommandation.

[1]https://arxiv.org/pdf/1407.0546

[2]https://arxiv.org/abs/1808.10323

https://arxiv.org/pdf/2303.16514

[3]https://indico.in2p3.fr/event/32629/contributions/142596/attachments/87575/132189/fcc_alp_ecfa.pdf

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 have 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 thesis will concentrate on the study of the production of two Higgs bosons decaying to a pair of photons and a pair or b-quarks (HH->bbyy). The detection of such process is a strong proof of the Higgs self coupling and 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. A contribution to the search for new physics in the same decay mode is expected. This will involve searching for a heavy particle decaying to two Higgs bosons (X->HH->bbyy) or a Higgs boson and a new scalar boson (X->SH->bbyy). The search, detection and measurement of the Standard Model process ZH->bbyy, which has the same final state products, is important to validate the previous analysis. A contribution to the understanding of ZH->bbyy will be also considered.

The analyses described above with the run 3 LHC data is being prepared now by a group of several ATLAS institutes around the world that collaborate at CERN. The analysis will look for the HH production as described by the Standard Model as well as with beyond the Standard Model models where the Higgs self coupling is modified or where new scalar particles exist and couple to the Higgs boson.

The efficient identification of photons in the ATLAS detector is one of the main ingredient for the analysis described above. The candidate is expected to work on improving the photon identification in ATLAS. This work involves understanding the shower shapes that a photon leave in the Liquid Argon calorimeter as well as developing modern method (based on neural networks) to identify photons and separate them from the background.

The successful candidate will work within this collaboration and will take part of preparing and studying simulation samples that describes the physics processes. The candidate will work within a team of four researchers and two PhD student at CPPM. He/She will analyze the kinematic and topological distributions of the signal in order to improve the selection of signal events and separate them from the background. He/She will also work on the estimation of the background and extract the corresponding uncertainties. The last task would be to measure the Higgs boson self coupling and compare it with predictions from the Standard Model and/or set limits of the production cross section of beyond the Standard Model processes in case additional scale bosons are not discovered.

Prior knowledge of programming language especially C++/root or python is an advantage but is not mandatory.

This thesis is expected to start in October 2026 (if funding is obtained).

Objet :

Étant interdites dans le Modèle Standard (SM) de la physique des particules, les désintégrations violant la saveur leptonique sont parmi les sondes les plus puissantes pour rechercher une physique au-delà du SM. Compte tenu des anomalies récentes observées par LHCb sur les tests de l'universalité de la saveur leptonique dans les processus $b \rightarrow s l l$ et $b \rightarrow c l \nu$ , l'intérêt pour les désintégrations violant la saveur leptonique impliquant des leptons tau dans l'état final a été grandement renforcé. En particulier, plusieurs modèles de nouvelle physique prédisent des fractions d'embranchement des désintégrations $B \rightarrow \tau l K^*$ and $B \rightarrow \rho \tau l$ juste en dessous des limites expérimentales actuelles. Cela vaut également pour le processus FCNC $B \rightarrow \tau \tau$ .

L'expérience Belle II, située au KEK, Japon, a commencé à collecter des données en 2019, avec pour objectif de rassembler beaucoup plus de données que son prédécesseur, Belle. L'objectif de cette thèse est d'exploiter les données de Belle II afin d'obtenir les meilleures limites expérimentales sur les désintégrations violant la saveur leptonique telles que $B \rightarrow \tau l X$ , où X est un système hadronique et ll un électron ou un muon, ainsi que sur les transitions $b \rightarrow d \tau \tau$ , comme $B \rightarrow \tau \tau$ . En particulier, nous aimerions explorer de nouvelles méthodes de tagging des B dans Belle II.

Activités :

Analyse de données utilisant des techniques d'apprentissage automatique (Machine Learning),

Participation à la prise de données,

Contribution aux tâches de service pour Belle II,

Activités de vulgarisation et de dissémination.

Contexte de travail :

Cette thèse se déroulera au CPPM, Marseille (https://www.cppm.in2p3.fr/web/en/index.html). Des déplacements au KEK pour des réunions de collaboration ainsi que des séjours prolongés pour participer à la prise de données sont prévus.

Informations complémentaires :

Les candidats doivent être titulaires d'un Master en physique (ou équivalent) ou prévoir de l'obtenir avant le début de l'emploi. La candidature doit inclure un CV, les relevés de notes, une lettre de motivation et trois lettres de recommandation.

Références :

https://arxiv.org/abs/1808.10567

https://arxiv.org/abs/1703.02508

https://arxiv.org/abs/hep-ex/0511015

Mission :

Mirion Technologies, leader mondial de la radio protection, développe des systèmes de mesures pour garantir la sécurité des travailleurs face aux rayonnements ionisants dans le milieu industriel. Mirion Technologies a développé une expertise reconnue dans la conception et la fabrication d'équipements et de solutions pour la détection, la mesure et l'analyse des rayonnements ionisants dans les domaines de l'industrie nucléaire, la défense civile et militaire, la médecine nucléaire, la recherche, l'environnement et autres industries spécialisées.

Le Centre de Physique des Particules de Marseille est une Unité Mixte de Recherche (UMR 7346). Le laboratoire relève de l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3), sous la double tutelle du CNRS et d'Aix-Marseille Université. Le CPPM est impliqué dans la mise en oeuvre de détecteurs pour les grandes expériences du CERN. Il participe en particulier à la conception des circuits intégrés nécessaires à la construction, l'assemblage et la mise au point de ces détecteurs.

A ce titre, le CPPM et Mirion Technologies collaborent depuis plusieurs années sur la conception et le développement de circuits intégrés dédiés à la détection de rayonnements ionisants.

Le travail de thèse s'inscrit dans le cadre du développement de la prochaine génération de dispositifs de détection des rayonnements ionisants. Il vise à analyser l'impact des technologies avancées, notamment les procédés CMOS 28 nm et inférieurs, sur les performances globales (en mettant l'accent sur le bruit et la consommation) et sur la résistance de la chaîne de détection à la dose totale intégrée (TID) pour les flux gamma et neutroniques. L'étude porte tant sur la partie analogique que sur la partie numérique de l'ASIC. Une attention particulière est accordée à l'évaluation du potentiel des ASIC à pixels, couramment employés dans les expériences de physique des particules, pour des applications dans le domaine de la détection des rayonnements ionisants ainsi qu'en médecine nucléaire.

Le front-end analogique de l'ASIC assure la polarisation du détecteur, l'amplification ainsi que la mise en forme des signaux. Le facteur de bruit de cet étage analogique sensible représente un point critique de la conception, dans la mesure où il influence directement les performances métrologiques de l'ensemble ASIC/détecteur. L'optimisation du rapport signal sur bruit (SNR) constitue ainsi une étape centrale de l'étude, d'autant qu'elle devra être menée en synergie avec l'optimisation de la vitesse de traitement et de la consommation. Ce travail de thèse vise donc à proposer, développer et valider des architectures de circuits d'amplification et de mise en forme, qu'elles soient dans la continuité ou en rupture avec l'état de l'art. Il convient de souligner que le circuit intégré devra être conçu et dessiné avec un niveau de robustesse suffisant pour permettre la réalisation de dispositifs de détection compacts, adaptés à un usage en environnement industriel.

Activité principale

• Etablir l'état de l'art des circuits d'amplification bas bruit

• Concevoir des blocs analogiques et numériques pour la détection de rayonnement ionisant

• Etudier l'impact de technologies CMOS très avancées (28 nm, 22 nm ou moins) sur les performances

• La première étape consistera à cibler les conceptions pour les détecteurs à semi-conducteurs (par exemple, SiC, diamant) avec une capacité de détection comprise entre 1 et 10 pF. La deuxième étape consistera à évaluer la pertinence des circuits pixellisés pour l'application prévue.

• Participer à l'élaboration des spécifications

• Participer à la conception et au développement de l'ASIC, mettre en oeuvre et vérifier les schémas de circuits par simulation

• Anticiper les effets de dérives de process pour garantir les rendements de fabrication

• Vérifier le fonctionnement du circuit intégré avec les contraintes d'utilisation en milieu industriel (température, CEM, tension d'alimentation…)

• Développer des modèles de type comportemental pour la vérification des circuits

• Contribuer à l'intégration et à la vérification de l'ASIC

• Communiquer au sein du groupe et avec les partenaires du projet

• Rédiger des documents détaillés sur la conception et participer à la définition du système d'acquisition nécessaire pour la caractérisation de l'ASIC.

• Présenter les résultats lors de conférences et les publier dans des revues

Savoir-faire technique demandé

• De solides connaissances et sens de créativité en conception de circuits microélectroniques, notamment les circuits analogiques bas bruit et basse consommation

• Maîtrise des outils de conception, de simulation, de dessin et de vérifications d'ASICs analogiques et numériques (environnement Cadence)

• Connaissance des règles de conception de circuits mixtes (Analogiques/Numériques)

• Une première expérience (stage, projet) en conception de circuits intégrés analogiques ou en conception de systèmes de tests, d'acquisition et de traitement serait un plus

Diplôme exigé :

Master-2, diplôme d'ingénieur en électronique ou équivalent, des connaissances en mesures physiques seraient un plus

Domaine de formation :

Électronique et instrumentation

Compétences linguistiques :

Anglais/compréhension orale et écrite

Lieu d'exercice :

Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM)

Date de début de thèse :

A partir de sept/oct 2025

Indemnité annuelle :

De 26 400 € à 28 000 € selon le profil

Personnes à contacter :

Mohsine Menouni : menouni@cppm.in2p3.fr