Thèse Caractérisation du Bruit de Fond de Neutrons Thermiques et Rapides dans les Laboratoires Souterrains Révélant l'Intérêt de la Détection Directionnelle avec Mimac 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 : Fairouz MALEK ORCID 0000000209485775
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-12T23:59:59

La nature de la matière noire (MN), qui représente 85 % de la masse totale de l'Univers, demeure l'une des énigmes les plus fascinantes de la physique actuelle. Les Laboratoires Souterrains (LS), où les expériences peuvent être protégées du rayonnement cosmique par une couche de roche d'au moins 1 000 mètres, constituent des sites privilégiés pour la recherche de cette MN. Les LS offrent l'environnement à faible bruit de fond nécessaire à la recherche en astroparticules et en physique fondamentale pour l'exploration des événements rares. Afin de soutenir cette recherche, le consortium NEXUS, fruit d'un programme Horizon Europe a été créé. Ce projet de quatre ans a débuté en janvier 2026 et vise principalement à fournir un environnement dynamique propice aux avancées en matière de détecteurs ultrasensibles et de techniques à très faible rayonnement, afin de stimuler l'innovation dans la recherche mondiale d'événements rares et le développement technologique de pointe au bénéfice de la société et de l'industrie [2,3]. La collaboration entre les scientifiques européens et les laboratoires de recherche les plus prestigieux du globe permettra de relever des défis expérimentaux et théoriques exceptionnels et de fournir les outils et les méthodes nécessaires à l'amélioration des techniques de détection caractérisant le bruit de fond des hautes énergies. Les neutrons constituent l'une des principales sources de bruit de fond et nécessitent un contrôle et une compréhension rigoureux. Les neutrons rapides produisent les mêmes signaux de recul nucléaire que ceux recherchés pour la détection directe de la matière noire dans les laboratoires souterrains. Les neutrons thermiques, par capture radiative, produisent des rayons gamma, générant des électrons dans tous les matériaux utilisés pour la construction des détecteurs, et permettant ainsi la recherche d'événements rares. La principale source de neutrons dans un laboratoire souterrain est constituée par les réactions nucléaires (, n) produites dans la roche des parois du laboratoire. Les particules sont principalement produites par les chaînes de désintégration de l'uranium, notamment la chaîne du radon-222. La caractérisation spectrale et du flux de neutrons dans un laboratoire souterrain est l'une des mesures les plus importantes à réaliser pour comprendre le bruit de fond de tout détecteur d'événements rares installé dans un tel laboratoire. La tâche proposée consiste à réaliser une caractérisation neutronique des laboratoires souterrains en collaboration avec les partenaires du consortium NEXUS. Le LPSC a développé un spectromètre à neutrons directionnel, un détecteur de flux neutronique et d'autres détecteurs complémentaires, également développés au LPSC, capables de caractériser les neutrons rapides et thermiques du LS. Cette caractérisation sera réalisée entre autres en Afrique du Sud (tunnel Huguenot et futur site PAUL), à SNOLAB (CA), au CJPL (CN) etc. Un doctorant sud-africain est d'ores et déjà impliqué dans une expérience de ce type au LSM (Modane, FR). L'objectif principal de ce projet de thèse est d'exploiter la stratégie directionnelle, fondée sur le mouvement relatif de notre système solaire par rapport au centre galactique, afin de distinguer le signal du bruit de fond dû à la radioactivité intrinsèque et aux neutrons issus des réactions nucléaires (, n) des roches, en se basant sur la directionnalité grâce à un détecteur développé au LPSC. Celui-ci (MIcro-tpc MAtrix of Chambers) permet l'utilisation d'une signature nouvelle, unique et essentielle - la directionnalité - pour corréler le mouvement relatif de notre système solaire autour du centre galactique avec les rares événements détectés dans le détecteur, dans une gamme d'énergie allant de quelques keV [1] à 100 MeV.

La thèse s'effectuera dans un contexte scientifique international, le projet NEXUS[1,6], mais aussi le réseau international de recherche PAULINE [7]. Ces collaborations visent principalement à fournir un environnement dynamique propice aux avancées en matière de détecteurs ultrasensibles et de techniques à très faible rayonnement dans le but de rechercher des événements rares [2,3]. Relever des défis expérimentaux et théoriques et fournir les outils et les méthodes nécessaires à l'amélioration des techniques de détection caractérisant le bruit de fond, en particulier celui provenant des neutrons[4].

Exploiter la stratégie directionnelle à partir de données prises dans les laboratoires souterrains. Cette stratégie est basée sur le mouvement relatif de notre système solaire par rapport au centre galactique, pour discriminer le signal du fond dû à la radioactivité intrinsèque et aux neutrons et neutrinos à partir de la « directionnalité ».

Le ou la doctorante participera à l'analyse des données menées en Afrique du Sud (projet PAUL, tunnel Huguenot), à Modane (LSM) et événtuellement dans un autre labortoire souterrain internationale sans conditions particulières. Parallèlement, la ou le candidat analysera les données du détecteur MIMAC-35cm [4] qui sera installé au LSM, afin d'explorer les particules de matière noire de faible masse, présentant une signature directionnelle.

Master 2 en Physique Subatomique et Cosmologie ou en Physique Nucléaire ou Énergétique Nucléaire
Langage de développement informatique: C++ et Python