Home > Ulb > ULB - Sujets de stage et de mémoire

ULB - Sujets de stage et de mémoire

 

Membres du service: Juan Antonio Aguilar Sanchez, Yannick Allard (Ing.), Barbara Clerbaux, Gilles De Lentdecker, Laurent Favart, Ioana C. Mariş, Simona Toscano, Pascal Vanlaer, Yifan Yang (Ing.)  

Les sujets proposés peuvent en général être pris par plusieurs étudiants. Les étudiants sont encouragés à discuter avec les personnes de contact pour plus d'information sur les sujets, et sur l'organisation pratique des stages de BA3 et de MA1, ou encore du mémoire.

Le service de physique des particules participe à plusieurs grandes expériences: CMS au CERN (Genève), IceCube et ARA au Pôle Sud, Auger en Argentine et JUNO en Chine, ainsi qu'à des développements R&D (Recherche et Developpement) dans les technologies de pointe appliquées aux détecteurs de particules et à l'acquisition des données. Pour information, le CERN et DESY (Hambourg) organisent des stages d'été de 8 à 13 semaines durant les mois de juillet et août pour les étudiants ayant suivi au minimum 3 années d'étude universitaire (la date limite pour postuler étant généralement fin janvier pour l'été qui suit). Ces stages peuvent être valorisés dans le cadre du cursus universitaire.

Grâce à un accord de collaboration en physique des particules entre les Universités de Beihang (Chine, Pékin) et l'ULB, le service peut offrir la possibilité aux étudiants de MA2 d'effectuer un séjour en Chine (Pékin) de plusieurs mois dans le cadre de leur mémoire. L'étudiant fera son travail de mémoire au sein d'une équipe dirigée par le Prof. Chengping SHEN. Le travail de recherche et la rédaction du mémoire seront en anglais.

1 - EXPERIENCE ICECUBE et ARA - Télescope à neutrinos

Contact: Juan Antonio Aguilar Sanchez (Juan.Antonio.Aguilar.Sanchez@ulb.ac.be), Ioana C. Mariş (Ioana.Maris@ulb.ac.be), et Simona Toscano (toscano@icecube.wisc.edu)

Le détecteur IceCube est un télescope à neutrinos enfoui dans la glace de l’antarctique. Les neutrinos sont détectés par la mise en évidence des leptons (muons, électrons et taus) émis lors de leur interaction avec la matière de la glace ou de la terre. L’étude des neutrinos d’origine galactique et extra galactique ouvre un nouveau champ d’investigation dans le domaine cosmologique (recherche de la matière noire, mécanisme d’accélération des rayons cosmiques, information sur les noyaux actifs des galaxies, rayonnement des trous noirs, tests de modèles cosmologiques, dimensions supplémentaires...). Depuis décembre 2010, le détecteur fonctionne avec 86 lignes d’instrumentation déployées dans la glace.

  • Recherche de neutrinos venant du plan galactique: A l’IIHE, nous recherchons des neutrinos émis à partir de régions étendues. Les implications dans les analyses de la détection de la composante neutrinos diffus provenant des interactions des rayons cosmiques dans le plan galactique sont encore à évaluer. Le travail proposé consiste à modifier le programme d’analyse et à introduire la simulation du signal qui imite l’émission de ces neutrinos du plan galactique.
  • La métode de correlation de deux points: Le méthode de correlation de 2 points est une technique statistique pour la recherche de structures dans un fond, apparemment uniforme. Il existe une méthode très simple mais aussi très robuste et indépendente du modèle. Pour cette raison, cette méthode est utile pour rechercher des anisotropies et des structures que d’autres techniques plus sophistiquées pourraient ne pas trouver.
  • Matière noire: A l’IIHE, nous sommes aussi impliqués dans la recherche de la matière noire avec le détecteur IceCube. En particulier, nous cherchons des neutrinos qui proviennent de l’annihilation de la matière noire au centre de la terre. Le travail consiste à développer les critères de sélection des événements qui seront utilisés dans cette analyse.
  • Recherche de coïncidences entre neutrinos et rayons gamma: Une autre stratégie utilisée pour la rechercher des sources de neutrinos consiste à rechercher des coïnncidences entre observation de neutrinos et observation de ”fusées éclairantes” vues par d’autres messagers, par example, avec les rayons gammas. Pour cette recherche un ensemble de courbes de lumière (photons en fonction du temps) du satellite Fermi-LAT devra être créé. 
  • Monitoring des données d’IceCube (pour un stage): Nous proposons d’examiner les données expérimentales provenant directement du pôle Sud. Les étudiants auront la possibilité d'examiner les données de IceCube via le site Web i3Live, ce qui aidera les scientifiques à surveiller la prise de données du détecteur IceCube. L’analyse préliminaire de ces données permettra à l’étudiant de mieux comprendre le fonctionnement de l’expérience IceCube.
  • Composition en masse avec les données IceTop: IceTop est un détecteur installé au-dessus de IceCube au Pôle Sud. Il est capable de mesurer les cascades atmosphériques produites par les rayons cosmiques avec des énergies comprises entre 10^16 et 10^17.5 eV où les rayons cosmiques ont principalement une origine galactique. Nous proposons de travailler sur la mesure de la composition en masse en utilisant les caractéristiques générales du développent des cascades dans l’atmosphère.

Une nouvelle technique RADAR pour la detection de neutrinos de haute énergie: A l'IIHE nous étudions la faisabilité de la technique de détection par radar, une nouvelle méthode pour sonder les plasmas induits par les neutrinos cosmiques de haute énergie dans la glace. La technique radar consiste en l’observation des neutrinos en utilisant des signaux radios qui vont être réfléchis dans le plasma généré par les interactions des neutrinos dans la glace de l’antarctique. En fonction des propriétés du plasma cette technique constitue une méthode très prometteuse pour la détection de cascades de particules induites par des neutrinos à des énergies supérieures à plusieurs PeV. Cela permet, en cas de succès, de couvrir l'écart d'énergie entre plusieurs PeV et quelques EeV, présent dans les détecteurs de neutrinos actuellement en fonctionnement. Plusieurs expériences de tests en faisceaux ont été menées à lUTAH et au SLAC pour étudier les propriétés du plasma. Les premiers résultats montrent l’indice d’un signal de diffusion, mais l’analyse des données est toujours en cours.

  • Etude de la sensibilité aux neutrinos de haute énergie avec la simulation et l’optimisation de différentes géometries d’un détecteur Radar.
  • L’analyse des données de tests en faisceau
  • Mesure de l’efficacité de la diffusion radar en laboratoire en tant que référence pour les données de test en faisceau.

Détection hybride (IceHYDRA) de neutrinos extrêmement énergétiques à l'aide des extensions dédiées aux hautes énergies et aux ondes radios d’IceCube-Gen2. Lobjectif principal de ce projet est la recherche de neutrinos extrêmement énergétiques, y compris de neutrinos cosmogéniques provenant de l'interaction des rayons cosmiques avec les photons du bruit de fond cosmique, à laide du futur observatoire de neutrinos IceCube-Gen2. Le chercheurs de lIIHE s'occupent de développer une nouvelle analyse hybride utilisant à la fois les détecteurs radio à la surface et sous la glace. Le travail se concentrera sur la simulation des événements hybrides et le calcul de la surface effective nécessaire pour conduire une étude de viabilité de la technique hybride.

2 - EXPERIENCE PIERRE AUGER - Etude des rayons cosmiques de ultra hautes énergies

Contact: Ioana C. Mariş (Ioana.Maris@ulb.ac.be)

Les rayons cosmiques sont jusqu’à présent les seules particules connues avec des énergies au dessus de 10^18 eV, beaucoup plus grandes que celles accélérées au LHC. Même si, dans la dernière décennie, il y a eu beaucoup de progrès dans cette recherche, on ne connait toujours pas leur origine et les processus d’accélération à de telles énergies. Par ailleurs, c’est actuellement la seule façon d’avoir des informations sur les interactions hadroniques à ces énergies. Comme le flux des rayons cosmiques est très bas au delà de 10^19 eV, on peut mesurer leurs caractéristiques seulement via les cascades des particules produites dans l’atmosphère. L’observatoire Pierre Auger, dans la Pampa Amarilla en Argentine, couvre une surface de 3000 km2 avec 1660 détecteurs Cherenkov. L’atmosphère est observée avec 27 télescopes de fluorescence.

  • La mesure du nombre de muons à partir des asymétries des cascades:  Les particules produites dans les cascades atmosphériques atteignant le sol peuvent être groupées dans: la partie électromagnétique (e±,γ) et la partie hadronique (μ±). La composante électromagnétique est bien décrite par les simulations car elle est basée sur des processus bien connus (bremstrahlung, production de paires). La partie hadronique (ou la partie muonique) est modélisée avec la QCD, et les simulations prévoient moins de muons qu’observé dans les données. Les expériences aux accélérateurs des particules ne couvrent pas l’espace de phase requis pour les particules produites dans les cascades (région avancée et grandes énergies). Les mesures du nombre de muons sont faites dans Auger seulement à une distance de 1000 m de l’axe de la cascade. Le travail proposé vise à mesurer avec une nouvelle méthode l’ampleur de cette divergence à différentes distances. La méthode est basée sur les asymétries et les différentes atténuations des cascades dans l’atmosphère.
  • Performances de la mise à niveau de l’Observatoire Pierre Auger (AugerPrime): La collaboration Pierre Auger déploie actuellement une mise à niveau (upgrade) du détecteur. Des scintillateurs sont placés au-dessus des détecteurs qui sont déjà dans la Pampa (eau Cherenkov). Cela permettra la séparation des composantes des cascades qui atteignent le sol. Le travail vise dans une première phase à comprendre le comportement des nouveaux détecteurs et à comparer les nouveaux signaux aux simulations. La deuxième phase du travail consistera à déduire le résolution sur la séparation des deux composantes au sol. La séparation des composantes est un ingrédient essentiel pour déduire la composition en masse des rayons cosmiques.
  • Anisotropies à grande échelle: La collaboration Pierre Auger a mesuré une structure dipolaire dans les directions d’arrivée des rayons cosmiques avec des énergies supérieures à 8 × 10^18 eV. Le sujet proposé porte sur l’interprétation de cette structure dipolaire: compte tenu de la composition supposée des rayons cosmiques aux sources, de la distribution de la matière dans l’univers proche et de certains modèles récents de distribution du de champs magnétiques, comment pouvons-nous interpréter ce dipôle? Une autre partie du travail consite en l’obtention d’une couverture totale du ciel en combinant les données du Telescope Array et de l’Observatoire Pierre Auger.
  • Transition de l’origine galactique à l’origine extragalactique: La domaine en énergie où le flux des rayons cosmiques est dominé par les particules provenant de l’extérieur de notre galaxie est encore inconnue. Cette transition devrait se situer entre 10^16.7 et 3 × 10^18 eV. Avec les données de l’Observatoire Pierre Auger, il est possible de mesurer le flux de rayons cosmiques au dessus de log(E/eV ) = 17.5, où ce détecteur est totalement efficace. Le travail vise à étendre cet intervalle à de plus basses énergies, en dessous de 100% d’efficacité du d ́etecteur. Le but est d’observer une structure possible dans la distribution du flux (le ”second knee”).

3 - EXPERIENCE CMS - Interactions proton-proton

Contacts: B. Clerbaux (bclerbau@ulb.ac.be), L. Favart (lfavart@ulb.ac.be), P. Vanlaer (pvanlaer@ulb.ac.be)
 
Les sujets de stages et mémoires portent essentiellement sur l’analyse des données du Grand Collisionneur de Hadrons, le LHC au CERN à Genève, à une énergie de 13 TeV dans le centre de masse proton-proton, qui sont récoltées par l’expérience CMS (Compact Muon Solenoid) depuis mars 2016. Le travail de l’étudiant s’intégrera directement dans les recherches du groupe CMS de l’ULB. Les sujets de recherche décrits ci- dessous sont proposés aussi bien pour un travail de mémoire que comme sujet de stage. Dans ce dernier cas, une partie du travail proposé sera effectuée. Suite à l’actualité, d’autres sujets peuvent être proposés au sein de l’expérience CMS. Nous encourageons les étudiants intéressés à prendre contact avec les membres du service.
 
Mesure de précision du Modèle Standard: Le potentiel de découverte du LHC repose sur une connaissance approfondie de la dynamique engendrée par les interactions du Modèle Standard à haute énergie. Un groupe de l’ULB se concentre sur les aspects liés aux interactions fortes (QCD) et electro-faibles.
  • Etude des interactions fortes (QCD) à l'échelle du TeV: Peu d’études sont encore disponibles sur les interactions forte à l’échelle du TeV, or c’est à cette échelle que la recherche de nouvelles résonnances/particules est la plus prometeuse. Il est proposé d’étudier, dans ce domaine, les mécanismes de production quark − quark, quark − gluon et gluon − gluon donnant lieu à la production d’un boson Z accompagné de jets, sur base des données de CMS.
  • Etude de la structure du proton: En marge des données proton-proton (p − p), le LHC fournit des collisions p − Pb et Pb − Pb. Les ions de plomb ayant une charge électrique élevée (Z = 82), un facteur en Zfavorise les interactions entre un photon émis par le Pb et l’autre faisceau (soit p soit Pb). Par ce biais, on peut étudier les interactions γ − p ou γ − Pb, à très haute énergie, produisant exclusivement un méson vecteur. L’étude récente de ces processus très simples (comme γ − p → J/Ψ p) semble montrer la présence d’une saturation de la densité de gluons dans le proton. La mesure de ces processus permet d’extraire des informations sur la structure en 3D du proton (i.e. la localisation des quarks et des gluons dans le proton) qui est actuellement très mal connue. Il est proposé d'étudier la production exclusive de méson rho: γ − Pb → ρ Pb en utilisant les données Pb − Pb.
  • Etude de la production des boson Z et W au LHC (stage) : sélection des événements de production de bosons Z et W à l'aide du détecteur CMS, mesure des sections efficaces de production et des différents rapports de branchements des produits de désintégration. Vérification des prédictions du Modèle Standard.

Etude du boson H: Depuis la découverte au LHC du boson scalaire de Brout-Englert-Higgs à une masse de 125 GeV (H), les recherches se concentrent sur l’étude des propriétés de la particule découverte. 

  • Etude du canal de désintégration H → ZZ → 4l: Ce canal est le plus clair pour la découverte et l’étude des propriétés du boson scalaire H, car toutes les particules de l’état final sont mesurées précisément. Après sélection des événements, le travail consistera en la mesure de la masse du boson H (ajustement du signal), et les propriétés (spin) du boson H seront extraites via l’étude des distributions angulaires des lepton.
  • Etude du canal de désintégration H → τ+τ: L'etude de ce canal permet de mesurer le couplage du boson scalaire aux fermions. Le projet consiste en la sélection des événements avec une paire de leptons taus, en l’estimation des bruits de fond, et en l’optimisation des coupures. L'étude portera notamment dans le cas des canaux de désintégration hadronique du lepton tau qui permettra la mesure des caractéristiques (spin) du boson scalaire H.
  • Etude de la production de paires de bosons H dans le canal HH → ZZbb → l+lνν̄bb: Le couplage triple des bosons H est un paramètre fondamental du Modèle Standard qui doit encore être mesuré. La mesure peut se faire à partir du processus de production de paires de bosons H. Nous proposons d’étudier, à l’aide de simulations et pour les prises de données futures du LHC, le potentiel du canal où un des bosons H se désintègre en une paire de bosons Z et l’autre, en une paire de quarks b. Il s’agira d’optimiser la sélection du signal par rapport aux bruits de fond dominants dus entre autres à la production d’une paire de quarks top, en exploitant si possible les propriétés du boson H (masse, spin).

Recherche d'une nouvelle physique au-delà du Modèle Standard: Malgré ses succès, le Modèle Standard ne peut répondre à une série de questions fondamentales. La recherche de nouvelle physique est une des priorités du LHC. Les sujets suivants ont pour cadre la recherche directe de nouvelles particules prédites par une série de modèles au-delà du Modèle Standard: soit de nouveaux bosons scalaires (par exemple modèle à deux doublets scalaires 2HDM ou SUSY), soit de nouveaux bosons de jauge (modèle de grande unification, modèle à dimensions spatiales supplémentaires). 

  • Etude du canal H → ZZ → l+lνν̄: Malgré la récente découverte du boson scalaire léger, des extensions du secteur scalaire du Modèle Standard restent motivées théoriquement. Le canal H → ZZ → l+lνν̄ est le plus sensible à la présence de nouveaux bosons scalaires massifs. Par une méthode originale explorée récemment, ce canal permet aussi de mesurer le temps de vie du boson scalaire léger.
  • Recherche de nouvelles résonances à très haute énergie: De nombreux modèles (Grand Unified Theory (GUT), SUSY, Extra Dimension) prédisent l'existence de nouveaux bosons neutres massifs. Nous proposons de faire une étude combinée de l'ensemble des données récoltées en 2016-2017 et 2018 (le RUN 2 du LHC) afin de rechercher de nouveaux bosons Z' massifs se désintégrant dans le canal diélectron Z' → e+e. Le travail consistera en la sélection des événements intéressants, la mesure de l’efficacité de la reconstruction des électrons à haute énergie, ainsi qu’en l’étude des différents bruits de fonds.
  • Recherche de processus qui violent la conservation de la saveur leptonique. Dans le contexte de comprendre l'origine de l'asymétrie matière-antimatière, les processus qui violent la conservation de la saveur leptonique (LFV, Lepton Flavor Violation) sont étudiés au LHC. En particulier, l'étude de la production d'un boson Z, d'un boson H ou encore d'une boson Z', se désintégrant avec LFV dans les états finals contenant une paire de lepton: electron-muon, ou electron-tau, ou muon-tau sont particulièrement intéressants à étudier. Le Le travail consistera en la sélection des événements intéressants, et la recherche d'un signal au dessus des processus de bruits de fonds (processus du Modèle Standard).

Recherche de matière noire: La nature de la matière noire (dark matter - DM) est une des grandes questions ouvertes en physique actuellement. Au LHC, les physiciens recherchent directement ou indirectement des nouvelles particules candidats matière noire (DM).

  • Recherche directe de matière noire au LHC : qq̄ → χχ̄: Au LHC, la recherche directe de DM se fait via l’annihilation d’une paire quark-antiquark en un pair de particules de DM: qq̄ → χχ̄. Ce processus conduisant à unétat final invisible par le détecteur, les recherches sont effectuées à l’aide des événements avec radiation dans l’état initial (ISR), appelés mono-X, X etant un gluon, un photon ou un boson électrofaible (W ou Z), conduisant à un état final avec une énergie transverse manquante importante. Le travail se concentrera sur les canaux mono-W/Z avec les états finals leptoniques. Ces canaux ont l’avantage d’avoir un faible bruit de fond du Modèle Standard. Le travail consistera en la mise au point de la sélection des événements et l’analyse des données.
  • Boson scalaire H vers invisible (matière noire): Une autre possibilité est la recherche d’un signal via une interaction entre le boson scalaire et la DM. Le travail proposé consiste en la recherche d’événements où le boson scalaire H se désintègre en de nouvelles particules interagissant faiblement (DM), qui s’échappent du détecteur. Ici aussi, l’événement est identifié grâce à la présence d’un boson Z produit en association avec le boson scalaire H. La sélection des événements sera optimisée et les données seront analysées. 

4 - EXPERIENCE JUNO - Etude des oscillations des neutrinos et hiérarchie de masse 

Contacts: B. Clerbaux (bclerbau@ulb.ac.be)

JUNO est un grand détecteur de scintillateur liquide dont le but est la détection des anti-neutrinos émis de réacteurs nucléaires situés à une distance de 53 km. L'expérience a pour objectif principal de déterminer la hiérarchie de masse des neutrinos après 6 années de prise de données. Le détecteur sera situé à 700 m sous la roche et se compose de 20 kilotonnes de scintillateur liquide contenu dans une sphère acrylique 35 m de diamètre, instrumenté par plus de 17000 photomultiplicateurs (PMT) de 20 pouces. La résolution en l'énergie nécessaire à la discrimination entre la hiérarchie de neutrino normale et inversée à 3-4 sigma est de 3% à une énergie de 1 MeV. Cela met de fortes contraintes sur la qualité du détecteur et en particulier sur les caractéristques des PMTs. La mesure précise du spectre d'antineutrinos permettra également de réduire l'incertitude sur les paramètres d'oscillation solaire à des valeurs inférieures à 1%. La collaboration internationale JUNO a été d'établie en 2014, la construction du site a commencé en 2015 et la phase R&D/production pour le détecteur est en cours. Le début de la prise de données est attendue pour le début de 2022

  • Etude du spectre en énergie du neutrino mésuré par le détecteur JUNO dans le cas de la hiérarche normale et inversée. Le travail portera plus spécifique en l'étude de la résolution en énergie obtenue en utilisant d'une part le réseau des grands PMT, et d'autre part une combinaison des deux réseaux des grands et petits PMTS. L'utilisation des petits PMT devrait permettre de diminuer la partie de l'incertitude sur la mesure de l'énergie lié aux termes non-stochastiques.
  • Etude prospective de la possibilité d'utiliser les données de JUNO dans le cas d'une analyse avec multi-messagers (notamment JUNO - IceCube) avec un sytsème d'alerte pour déclencher sur des signaux venant d'événements astrophysiques très violents. Le travail portera sur la faisabilité du dévelopement d'une telle analyse (système de déclenchement et énergie seuil).

5 - INSTRUMENTATION 

Contact: Juan Antonio Aguilar Sanchez (Juan.Antonio.Aguilar.Sanchez@ulb.ac.be), Yannick Allard (Yannick Allard@ulb.ac.be), G. De Lentdecker (gdelentd@ulb.ac.be), Ioana C. Mariş (Ioana.Maris@ulb.ac.be), Simona Toscano (toscano@icecube.wisc.edu), P. Vanlaer (pvanlaer@ulb.ac.be), Y. Yang (yyifan@ulb.ac.be

L’institut IIHE a une longue tradition dans le R&D (Research and Development) en physique des particules, notamment dans le dévelopement de nouvelles techniques pour les détecteurs de traces. Le groupe est aussi spécialisé dans le développement de systèmes d’acquisition utilisant des techniques de pointe, l’électronique digitale programmable (FPGAs).
  • Contribution à l’étude de détecteurs équipés de GEM pour les upgrades du spectromètre à muons de CMS: Dans le cadre des upgrades (améliorations) de l’expérience CMS pour les phases de haute luminosité du LHC, nous étudions la possibilité d’installer des nouveaux détecteurs équipés de GEM (Gas Electron Multiplier) dans le spectromètre à muons. Durant l’hiver 2016-17, 8 détecteurs ont été installés dans CMS. L’étudiant participera à l'étude des caractéristiques de ces détecteurs et en particulier du bon fonctionnement de leur électronique digitale programmable (FPGA) dont l’ULB est responsable. 
  • Détecteurs au silicium et reconstruction de traces - Upgrade du détecteur CMS: Des détecteurs au silicium double couche sont prévus pour les ’upgrades’ du détecteur de traces de CMS pour permettre de reconstruire les trajectoires des particules chargées des collisions proton-proton du LHC en temps réel, ce qui est impossible actuellement. Nous proposons d’étudier les performances des nouveaux prototypes de ces détecteurs et de les optimiser. Les données seront prises en rayonnement cosmique à l’IIHE et en faisceaux de particules auprès d’accélérateurs.
  • Etudes des photomultiplicateurs au Silicium (SiPM): Les SiPM sont des photodétecteurs qui ont plusieurs avantages par rapport aux PMTs traditionnels, mais souffrent d’un inconvénient: leur surface de détection est plus petite. Des études sont en cours afin d’augmenter la surface de collection des SiPMs en utilisant des matériaux fluorescents. Le travail consistera à simuler avec l’aide d’un programme optique (le programme ”Zemax”) les systèmes avec des matériaux fluorescents utilisés dans le cadre de panneaux solaires.
  • Mise au point d’un nouveau système d’acquisition de données pour la mesure du temps de vie du muon, avec des FPGA: Nous proposons de mettre au point un nouveau système d’acquisition de données pour l’expérience de mesure du temps de vie du muon, en utilisant les technologies modernes d’électronique digitale programmable: les FPGAs. Les FPGAs sont largement utilisés dans toutes les expériences de physique des particules et dans l’industrie de l’électronique embarquée.
  • Contribution au dévelopement et aux tests des cartes d'électroniques backend de l'expérience JUNO: un groupe de l'ULB est responsible du design, test et construction des cartes électronique backend (BEC) qui seront utilisées dans l'expérience JUNO. Le travail consiste en l'étude des caractéristques de la carte BEC et en la mise au point d'un système de test qui sera utilisé lors de la phase de production.