Thèse Vers une Détection de la Matière Noire Optimisation des Algorithmes de Déclenchement et de la Sensibilité des Détecteurs Cryogéniques de Tesseract H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : PHYS - Physique Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie Direction de la thèse : Silvia SCORZA ORCID 0000000203778016 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-13T23:59:59 La matière noire constitue environ 85 % du contenu en matière de l'Univers, pourtant sa nature demeure inconnue. Bien que son existence soit solidement étayée par des observations astrophysiques et cosmologiques, telles que les courbes de rotation des galaxies, la lentille gravitationnelle et les anisotropies du fond diffus cosmologique, son identité en tant que particule n'est pas expliquée par le Modèle Standard de la physique des particules.
L'absence de signaux provenant des recherches traditionnelles de particules massives à interaction faible (WIMP) dans les détecteurs à gaz noble et au LHC Grand Collisionneur de Hadrons a suscité un intérêt croissant pour des candidats alternatifs à la matière noire de masse inférieure à 1 GeV.
L'expérience TESSERACT (Transition Edge Sensors with Sub-eV Resolution And Cryogenic Targets) est conçue pour explorer cet espace de paramètres largement inexploré en recherchant de la matière noire légère à l'aide de calorimètres cryogéniques ultrasensibles. TESSERACT vise à sonder des candidats à la matière noire sur plus de douze ordres de grandeur en masse en combinant plusieurs innovations clés : des détecteurs avec des seuils d'énergie sous-eV, l'utilisation de plusieurs matériaux cibles (notamment le saphir, l'arséniure de gallium, le germanium, le silicium et l'hélium liquide), ainsi que des techniques avancées pour discriminer les éventuels signaux de matière noire des bruits de fond radioactifs et instrumentaux.
L'équipe française TESSERACT, soutenue par le projet TES4DM, mettra en service et installera une plateforme cryogénique au Laboratoire Souterrain de Modane et contribuera aux détecteurs avec des cibles en germanium et en silicium. Deux configurations de détecteurs seront mises en oeuvre dans ces cibles semiconductrices, des conceptions basse tension et haute tension, selon le champ électrique appliqué aux détecteurs.
Le/la doctorant/e apportera son soutien à la mise en service de l'infrastructure cryogénique TESSERACT au LPSC ainsi qu'à la caractérisation des performances des détecteurs dans cette installation. La géométrie innovante du cryostat et du blindage devrait permettre de réduire les bruits de fond d'environ deux ordres de grandeur par rapport aux systèmes cryogéniques commerciaux, améliorant ainsi significativement la sensibilité de l'expérience à la matière noire légère. Le/la doctorant/e étudiera la sensibilité de l'expérience sur la base des données de mise en service.
Par ailleurs, le projet étudiera des stratégies avancées de déclenchement des données afin d'optimiser la détection de signaux d'énergie extrêmement faible. Ces développements joueront un rôle crucial dans la maximisation de la portée scientifique de l'expérience TESSERACT et permettront une nouvelle génération de recherches de matière noire sous le GeV. La nature de la matière noire constitue l'un des problèmes fondamentaux de la physique contemporaine. Parmi les différentes approches expérimentales visant à détecter directement cette matière noire, les détecteurs cryogéniques se distinguent par leur très faible seuil d'énergie et leur excellente résolution. Ces dispositifs permettent de rechercher l'interaction rare entre des particules de matière noire et des noyaux ou électrons dans un détecteur refroidi à des températures millikelvin.
L'expérience TESSERACT experiment vise à explorer une région encore largement inexplorée de l'espace des paramètres de la matière noire, en particulier celle des particules légères (sub-GeV). Pour atteindre la sensibilité nécessaire, il est essentiel de développer des algorithmes de déclenchement (trigger) capables d'identifier efficacement des signaux extrêmement faibles tout en rejetant le bruit instrumental.
Cette thèse s'inscrit dans ce contexte et vise à améliorer les performances des détecteurs cryogéniques de TESSERACT grâce au développement d'algorithmes de déclenchement avancés et à l'optimisation de la sensibilité expérimentale. Le travail combinera analyse de données, modélisation du bruit et développement d'outils numériques afin d'augmenter la capacité de détection de signaux rares compatibles avec une interaction de matière noire.
1. Conception et implémentation d'un algorithme de déclenchement
Développement d'un algorithme capable de détecter des signaux proches du seuil de détection, afin d'améliorer la sensibilité de l'expérience et d'accéder à des masses de matière noire plus faibles.

2. Mise en service et caractérisation d'un réfrigérateur à dilution
Installation et caractérisation d'un réfrigérateur à dilution permettant de refroidir les détecteurs cryogéniques de l'expérience TESSERACT jusqu'aux très basses températures nécessaires à leur fonctionnement.

3. Évaluation de la sensibilité expérimentale
Utilisation des données collectées pendant la phase de mise en service pour estimer les performances de l'expérience et évaluer sa capacité à contraindre les modèles de matière noire.

Le ou la candidat(e) devra être titulaire d'un Master 2 (ou équivalent) en physique fondamentale, physique des particules, astrophysique ou instrumentation.
Les compétences suivantes seront particulièrement appréciées :
bonnes connaissances en physique des particules, astroparticules et cosmologie
intérêt pour l'instrumentation et l'analyse de données expérimentales
compétences en programmation scientifique (Python, C/C++, ou équivalent)
capacité à travailler dans une collaboration internationale (langue anglais)
Une expérience préalable dans l'analyse de données expérimentales ou les détecteurs à basse température constituera un atout.