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Thèses & Stages

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Phd Thesis jobs 2017-2019

Muon veto integration and analysis on its performances on the cosmogenic background reduction for the JUNO neutrino experiment.

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The neutrino is a neutral particle interacting only through the weak interaction. It shows up today as the messenger of new physics beyond the Standard Model. Indeed, in this theory, this elementary particle is considered massless which runs counter to the experimental observation of neutrino oscillations, which is only possible if the neutrino masses are different. The observation of this phenomena constitutes a fundamental advance in particle physics, and awarded the 2015 Nobel prize to two experiments, Super-Kamiokande and SNO, which significantly contributed to this discovery.
Since this discovery in 1998, several experiments have studied this phenomena however there are still some parameters that haven’t been measured yet. One of these unknown parameters is linked to the neutrino mass ordering, that is which of the neutrinos -1 (composed of mostly -e) or -3 (composed of a mix of — and — ) is the lightest. The determination of this ordering could be essential to understand by which mechanism the neutrinos gets its mass and also to check expansion models of the Universe.
The JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory [1]) experiment’s main goal is to answer this question. It is expected to reach a sensitivity of more than 3 - to measure the neutrino mass ordering after 6 years of data taking. JUNO will also make it possible to precisely measure several parameters of the neutrino mixing matrix which will allow us to start testing its unitarity. JUNO will also perform measurements on geo-neutrinos, solar neutrinos, atmospheric neutrinos, and supernovae neutrinos. The construction of the
experimental hall in southern China has started, and the detector construction is expected to start in 2018 with data taking starting at the end of 2020.
JUNO is an international experimental collaboration, regrouping 71 institutions all around the world. The experiment will use neutrinos from many nuclear power plants with a total power of 36 GW. The detector will be at 53 km from the cores of the reactors, and the target will be made of a liquid scintillator making it possible for us to detect electron anti-neutrinos emitted by the reactor cores. The scintillation light will be collected by about 17000 20 inch photomultiplier tubes (PMT) and 25000 3 inch photomultiplier tubes.
The central detector, composed of the liquid scintillator inside an acrylic sphere, will be surrounded by a water pool equipped of PMTs – making a Cherenkov detector – that will identify atmospheric muons inducing
cosmogenic background. An additional detector, the Top Tracker, will be installed above the central detector and the water pool to further identify atmospheric muons. The Strasbourg group will use the Target Tracker of the OPERA experiment as the Top Tracker (TT) of JUNO. This fundamental part of the OPERA detector was fully IPHC’s responsibility (construction,
installation and data analysis). This contribution makes it possible for the IPHC group to have great visibility and have an essential role within the JUNO collaboration. OPERA’s Target Tracker is currently in China, and will be installed in top of the JUNO detector. Changes to the electronic cards and acquisition
system of the TT will have to be made as the counting rate expected is significantly larger than for OPERA.
This work is taking place by the Strasbourg group in collaboration with other laboratories. The Strasbourg group will take part in the TT data analysis, particularly through the simulation, track reconstruction and
estimation of background noise for JUNO.
The goal of this Ph.D. thesis is to optimize the Top Tracker before its foreseen installation in 2019, optimize the simulation and track reconstruction software, and then determine the TT performance to reduce the cosmogenic background noise and estimate its impact to JUNO’s systematic uncertainties. In parallel to the work on the analysis, the student will join the testing of the new electronics for the TT.

[1] JUNO website : http://juno.ihep.cas.cn

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Master 2 Level Internship 2017 -2018

Muon veto prototype for the JUNO neutrino experiment.

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The observation of neutrino oscillations is a fundamental result in particle physics. It demonstrates that the neutrino has a non zero mass, and currently is the only sign of physics beyond the Standard Model. This discovery awarded the 2015 Nobel prize in Physics to Takaaki Kajita and Arthur B. McDonald for their role in the Super-Kamiokande and SNO experiments, where neutrino oscillations were clearly shown.
The three neutrino oscillation is described by the PMNS mixing matrix via three mixing angles and a CP violating phase. Neutrino oscillations experiments at nuclear power plants have been fundamental to completing measurements of these mixing angles, however the
CP violating phase and the neutrino mass ordering are still unknown to this day. A new experiment, JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory), in China is currently being prepared. In JUNO, neutrinos will be detected in a 20 kt spherical liquid scintillator target at about 53 km from the Jiangmen province’s nuclear power plants. JUNO is expected to measure the neutrino mass ordering, that is which of the neutrinos $ν_1$ (composed of mostly $ν_e$) or $ν_3$ (composed of a mix of $ν_μ$ and $ν_τ$ ) is the lightest.
In JUNO, an important background comes from atmospheric muons traversing the detector. To reduce the atmospheric muon rate the detectors are built underground, however the surrounding rock thickness is not always sufficient to sufficiently shield the detector. To account for the remaining atmospheric muon background, JUNO is equipped with an external veto, made of crossing planes of plastic scintillator bars, that have a high muon detection
efficiency to identify and reconstruct these muon tracks.
The external veto of JUNO was elaborated from OPERA’s Target Tracker. Our laboratory will build a top tracker prototype from OPERA’s Target Tracker plans, as will be done for JUNO, in a reduced scale. This prototype will make it possible to start preparing and testing reconstruction algorithms to be used in JUNO’s external veto. The top tracker prototype will be composed of four XY plastic scintillator planes that will be read by a total of eight multi-anode photomultiplier tubes and the associated electronic cards. There will also be an acquisition system that will store the data on tape and provide online monitoring information.
The goal of this internship will be for the student to take part in testing and simulating the top tracker prototype. The student is expected to learn the usual computer tools used in high energy physics (C++, ROOT, Geant4).

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Optimisation of the hadronic collector for the ESSnuSB neutrino superbeam.

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During these last decades, particle physics made lots of progresses in particular in neutrino physics with the discovery of the oscillation mechanism and bring the proof that these particles are massives which is not foreseen by the current theory. This result opens a window to new physics beyond the Standart Model. Since 2012, most ot the parameters of the PMNS oscillation mixing matrix have been estimated with a certain accuracy, but the CP violation in the leptonic sector remains unknown. This measurement could have an important cosmological implications due to their large abundance in the Universe.
In order to go beyond our current knowledge and taking into account the very low interaction cross section with matter, very intense neutrino beams and large detector are necessary.
These superbeams require the development of proton drivers with one order of magnitude higher in intensity compared to the existing devices and are currently under consideration by the whole community.
Our research group in collaboration with other european instituts proposes to design such superbeam using the European Spallation Source (ESS) based in Lund (Sweden).The ESS LINAC will produced a pulsed proton beam at 5 MW power scale and will be in ten years the most powerfull proton beam in the world. At the end of the linear accelerator, the proton beam comes into an accumulator whose purpose is to reduce the pulse time width of the
beam from 2.86 ms to 1.32 micro-second. The beam impinging onto a fixed target produces secondary particles which are focused by a four horn system into a decay tunnel. The emerging neutrino beam will point toward a Water Cherenkov detector (MEMPHYS) located 532 kilometersdownstream in the Garpenberg mine. The focusing system is a key element which strongly
influence the intensity, the energy and the physics performances of the experiment. In order to optimize the parameters of this system, all the processes have to be simulated from the particle production in target, the propagation and the neutrino interactions inside the detector and extract the evaluate the physics performances.
This project has received funding from the European Union Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 777419.
The goal of the master internship will be to optimize the neutrino superbeam taking into account of the current configuration of the four horns with a Monte Carlo simulation based on GEANT4/FLUKA.

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Français

Propositions de thèse 2018-2019

Intégration du véto à muons et analyse de ses performances sur le bruit de fond cosmogénique de l’expérience neutrino JUNO

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Le neutrino est une particule neutre qui n’interagit que par interaction faible. Il apparaît aujourd’hui comme le messager d’une nouvelle physique au delà du Modèle Standard. En effet, dans cette théorie, cette particule élémentaire n’a pas de masse, ce qui est contraire à l’observation des oscillations des neutrinos par les expériences. Or, ce phénomène n’est possible que si la masse entre les familles de neutrinos est différente. L’observation de ce phénomène constitue une avancée fondamentale en physique des particules et a fait l’objet du prix Nobel 2015 pour deux expériences, SuperKamiokande et SNO, qui ont significativement contribuées à sa mise en évidence.

Depuis cette découverte en 1998, de nombreuses expériences ont poursuivi l’étude de ce phénomène et il reste à l’heure actuelle encore quelques paramètres qui n’ont pas été mesurés. Un de ces paramètres inconnus concerne la hiérarchie des masses des neutrinos qui provient de l’incertitude dans l’ordre des masses entre le neutrino ν1 (principalement composé de νe) et le neutrino ν3 (composé d’un mélange de νμ et ντ). La détermination de cette hiérarchie pourrait être essentielle pour comprendre le mécanisme par lequel cette particule acquiert une masse et pour vérifier des modèles d’expansion de l’univers.

L’expérience JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory [1]) a pour objectif principal de répondre à cette question. L’objectif est d’atteindre une sensibilité de plus de 3σ sur la hiérarchie de masse après 6 ans de prise de données. JUNO permettra aussi de mesurer avec précision plusieurs paramètres de la matrice d’oscillation des neutrinos ce qui permettra de démarrer des tests d’unitarité. JUNO sera aussi sensible à la détection des géo-neutrinos, des neutrinos solaires, atmosphériques et aux neutrinos des supernovae. La construction du site expérimental dans le sud de la Chine a démarré, celle du détecteur est prévue pour 2018 et la prise de données devrait démarrer fin 2020.

JUNO est une collaboration internationale constituée de 71 instituts répartis dans le monde. L’expérience utilisera les neutrinos de plusieurs réacteurs nucléaires dont la puissance totale devrait atteindre 36 GW. Le détecteur sera situé à 53 km des coeurs des réacteurs, la cible sera constituée d’un scintillateur liquide permettant de détecter les anti-neutrinos électroniques émis par les réacteurs. La lumière émise par le scintillateur sera collectée par environ 17000 photomultiplicateurs (PMT) de 20 pouces de diamètre et 25000 photomultiplicateurs de 3 pouces. L’ensemble scintillateur liquide+PMT, (détecteur central), constituera un volume sphérique entouré par une piscine d’eau équipée de PMT (détecteur Cherenkov) permettant d’identifier les muons cosmiques induisant du bruit de fond. Un détecteur supplémentaire pour identifier ces muons sera installé par dessus, il s’agit du Top Tracker.

Le groupe de Strasbourg utilisera le Target Tracker de l’expérience OPERA comme le Top Tracker (TT) de JUNO. Cette partie importante du détecteur OPERA était intégralement sous la responsabilité de l’IPHC (construction, installation et analyse des données). Cette contribution permet au groupe de Strasbourg d’avoir une grande visibilité et de prendre un rôle important au sein de la collaboration JUNO. Le Target Tracker d’OPERA, est actuellement en Chine et sera ensuite installé en haut du détecteur JUNO. Des modifications concernant les cartes électroniques et le système d’acquisition du TT devront être apportées puisque le taux de comptage attendu sera bien supérieur à celui d’OPERA. Ces travaux seront réalisés par le groupe de Strasbourg en collaboration avec d’autres laboratoires. Le groupe de Strasbourg participe à l’analyse des données du TT, en particulier en terme de simulation, de reconstruction des traces et d’évaluation des bruits de fond.
L’objectif de la thèse sera d’optimiser le Top Tracker avant son installation prévue en 2019 et d’optimiser les codes de simulation et de reconstruction des traces, puis de déterminer les performances du TT en terme de réduction du bruit de fond cosmogénique et évaluer son impact sur les incertitudes systématiques de l’expérience. En parallèle du travail d’analyse, l’étudiant devra participer aux tests de la nouvelle électronique utilisée.

[1] Site web de l’expérience JUNO : http://juno.ihep.cas.cn/

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Propositions de stages (Physique) 2017-2018

Prototype du "Top Tracker" de l’expérience JUNO.

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L’observation des oscillations de neutrinos est un résultat fondamental en physique des particules qui indique que le neutrino a une masse non nulle et apparaît, à l’heure actuelle, comme le seul signe de physique au delà du Modèle Standard. Cette découverte a fait l’objet du prix Nobel de Physique en 2015, attribué à Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald pour deux expériences, SuperKamiokande et SNO, qui ont significativement contribuées à sa mise en évidence.
Le mélange des neutrinos à trois saveurs est décrit par la matrice PMNS qui s’exprime grâce à trois angles et une phase CP. Les expériences auprès des réacteurs nucléaires ont permis de compléter les mesures de ces angles mais certains paramètres liés à la violation CP ainsi que la hiérarchie des masses restent inconnus à ce jour. Une nouvelle expérience JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) basée en Chine est en cours d’élaboration. Le détecteur est constitué d’une cible sphérique remplie de 20 kt de scintillateur liquide et sera situé à une distance d’environ 53 km de la centrale nucléaire de la province de Jiangmen. Cette expérience permettra d’apporter une réponse significative sur la hiérarchie de masses, c’est à dire sur l’incertitude dans l’ordre des masses qu’il subsiste entre le neutrino ν1 (principalement composé de νe) et le neutrino ν3 (composé d’un mélange de νμ et ντ).
Dans ces expériences, une des sources de bruit de fond importante est celle induite par le passage de muons cosmiques dans le détecteur. Afin de s’en affranchir les détecteurs sont placés dans des laboratoires souterrains, cependant l’épaisseur de roches n’est pas toujours suffisante pour réduire ce bruit à un niveau acceptable. Ces détecteurs sont alors équipés d’un veto externe élaboré à partir de plans croisés de barreaux de scintillateur plastique ayant une grande efficacité de détection des muons et permettant la reconstruction de la géométrie des traces.
Le veto externe de JUNO est élaboré à partir du trajectographe électronique de l’expérience OPERA. Notre institut se propose de construire un télescope à muons à partir des plans du trajectographe d’OPERA ayant une dimension réduite, qui permettra de préparer le travail à l’échelle du détecteur et de mettre au point les algorithmes de reconstruction. Ce détecteur est composé de 4 plans XY de scintillateurs plastiques et comportera huit photomultiplicateurs multianodes avec leur électronique associée. Il disposera également d’un système d’acquisition qui permettra de stocker les données sur disque et de donner quelques informations en ligne pour surveiller le bon fonctionnement du détecteur.
Le but du stage sera de participer aux tests et simulation de ce détecteur. L’étudiant devra apprendre, puis maîtriser les outils informatiques utilisés en physique des particules (C++, ROOT, Geant4).

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Modélisation du système de collection hadronique du futur super-faisceau de neutrinos ESSnuSB.

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La physique du neutrino est le seul domaine à avoir donné des signes d’une physique au delà du modèle standard, ces dix dernières années, avec la découverte des oscillations. Malgré ces avancées spectaculaires, les neutrinos présentent encore beaucoup de mystères et sont très probablement liés aux premiers instants de la création de l’univers. Les angles de mélange des oscillations ont été mésurés avec une certaine précision mais nous ne connaissons rien d’une éventuelle violation dans le domaine leptonique. Bien que les différences de carrées des masses de neutrinos soient mesurées, la hiérarchie de masse reste inconnue. Compte tenu de l’abondance des neutrinos dans l’univers, toutes ces mesures pourraient avoir de grandes répercutions au niveau cosmologique.
Pour aller au delà des connaissances actuelles et compte tenu de la très faible section efficace d’interaction des neutrinos avec la matière, des faisceaux très intenses de neutrinos sont nécessaires et requiert des technologies nouvelles et innovantes. Pour réaliser ces super-faisceaux, il est envisagé d’utiliser un faisceau de protons dix fois plus intense que les faisceaux existants actuellement.
Notre groupe de recherche est lauréat d’un financement européen pour mener à bien une étude sur l’optimisation de la source européenne de spallation (ESS) pour produire un superfaisceau de neutrinos. L’accélerateur linéaire (LINAC), en cours de construction à Lund en Suède, produira un faisceau pulsé d’une puissance de 5 MW et sera dans une dizaine d’années le faisceau de protons le plus puissant du monde.
A la sortie de l’accélérateur, le faisceau de protons entrera dans un accumulateur dont l’objectif est de réduire la durée initiale du pulse de protons de 2,86 ms à 1,32 μs. Ils entrent ensuite en collision avec cible fixe pour produire des particules secondaires qui se désintègrent et donnent des neutrinos. Pour bien les focaliser et obtenir ainsi un faisceau intense de neutrinos dirigés vers un détecteur placé à grande distance (mesurée en centaine de km), un dispositif comprenant une cible et un collecteur hadronique doit être mis en place. Ces éléments clefs, influencent fortement l’intensité et l’énergie du faisceau de neutrinos résultant et par conséquent les performances physiques. Pour bien optimiser les paramètres de ces dispositifs, il faut simuler l’ensemble des processus d’interaction dans la cible et propager les hadrons jusqu’à leur désintégration. Par la suite, suivant l’intensité et le spectre en énergie obtenus, il faudra étudier les répercussions sur la physique à extraire.
Le but du stage sera d’optimiser la ligne du super faisceau de neutrinos en tenant compte de la configuration actuelle basée sur quatre collecteurs à l’aide de simulation Monte Carlo (GEANT4, FLUKA) et en tenant compte des contraintes technologiques. L’étudiant aura dans un premier temps à se familiariser avec les différents logiciels et la problématique des super faisceaux. Une bonne connaissance en programmation C++ et ROOT serait souhaitable.

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Propositions de stages Ingénieurs 2017-2018

Réalisation d’une interface (...)

Réalisation d’une interface de pilotage d’un prototype du trajectographe à muons de l’expérience d’oscillation de neutrinos JUNO.

PDF - 5.9 Mo


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