Thèse Mesures de Fragmentation Nucléaire à Na61 - Shine pour l'Interprétation du Rayonnement Cosmique 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 : David MAURIN ORCID 0000000253310606 Début de la thèse : 2026-12-01 Date limite de candidature : 2026-11-02T23:59:59 Les expériences spatiales modernes mesurent les flux de rayons cosmiques galactiques avec une précision de l'ordre du pour cent, mais leur interprétation, y compris la recherche de matière noire, reste limitée par les sections efficaces de fragmentation nucléaire, connues seulement à 20 % ou plus. Le projet « NEXUS-CR (NA61/SHINE Cross Sections for Unbiased Signals in Cosmic Rays) » vise à combler cette lacune en mesurant la manière dont les noyaux de rayons cosmiques se fragmentent en noyaux secondaires, à l'aide de nouvelles données de l'expérience NA61/SHINE au CERN.

Le poste porte sur l'analyse des données de NA61/SHINE, en particulier la fragmentation de l'oxygène à des énergies de faisceau de 12,5 et 150 GeV par nucléon. Le travail comprend l'étalonnage des détecteurs, l'identification des particules à l'aide des systèmes de temps de vol et de chambre à projection temporelle du spectromètre NA61/SHINE, ainsi que l'extraction des sections efficaces de fragmentation. La recherche impliquera également la mise à jour des paramétrisations de sections efficaces et des modèles d'apprentissage automatique (actuellement développés au sein de l'équipe) afin de réinterpréter les données récentes de rayons cosmiques d'AMS-02.

Le poste est basé au LPSC (Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie) à Grenoble, en France. Le doctorant bénéficiera d'une formation doctorale au sein de l'École doctorale de Grenoble. Ce projet s'inscrit dans le cadre d'un dispositif de thèse en cotutelle entre l'Université Grenoble Alpes (UGA) et l'Institut de technologie de Karlsruhe (Allemagne) : les deux partenaires et leurs doctorants collaboreront et se rencontreront régulièrement pour faire avancer l'analyse. Des séjours de recherche au CERN et une collaboration étroite au sein de la collaboration NA61/SHINE sont prévus.

Au terme de la période de trois ans, le candidat retenu aura acquis une large expertise dans les techniques expérimentales de physique des particules, le calcul scientifique, l'astrophysique des rayons cosmiques galactiques et l'apprentissage automatique. Les expériences spatiales modernes mesurent les flux de rayons cosmiques galactiques avec une précision de l'ordre du pour cent. Cependant, l'interprétation de ces mesures, notamment pour la recherche indirecte de matière noire via les antiprotons et les noyaux secondaires, reste limitée par les incertitudes sur les sections efficaces de fragmentation nucléaire, connues seulement à 20 % ou plus. Ces sections efficaces gouvernent la production, la destruction et la fragmentation des rayons cosmiques lors de leur propagation dans la Galaxie.

Les modèles actuels reposent sur des données incomplètes et anciennes, parfois incohérentes, et ne fournissent pas d'incertitudes fiables. Cette situation constitue un goulot d'étranglement majeur pour l'astrophysique des rayons cosmiques et pour la recherche de matière noire.

Le projet NEXUS-CR (NA61/SHINE Cross Sections for Unbiased Signals in Cosmic Rays) vise à lever ce verrou en exploitant de nouvelles données de fragmentation à haute statistique obtenues auprès de l'expérience NA61/SHINE au CERN, pour des projectiles allant du lithium au silicium. Ces données ont été acquises grâce aux efforts de la collaboration et sont spécifiquement conçues pour atteindre la précision requise. L'objectif principal de cette thèse est de mesurer avec précision les sections efficaces de fragmentation de noyaux de rayons cosmiques, en particulier celles de l'oxygène, afin de réduire les incertitudes nucléaires qui limitent aujourd'hui l'interprétation des données de rayons cosmiques galactiques de haute précision (par exemple AMS-02) et la recherche indirecte de matière noire.

Plus spécifiquement, le travail de thèse visera à :
- analyser les données de fragmentation de l'oxygène collectées par NA61/SHINE à des énergies de faisceau de 12,5 et 150 GeV par nucléon ;
- extraire les sections efficaces de production inclusive pour la fragmentation de l'oxygène en noyaux secondaires plus légers ;
- contribuer à la validation et à l'amélioration de la chaîne de reconstruction et d'analyse des données de NA61/SHINE pour les mesures de fragmentation ;
- mettre à jour les paramétrisations et modèles de sections efficaces utilisés dans les codes de propagation des rayons cosmiques, en intégrant les nouvelles mesures ;
- réinterpréter les données récentes d'AMS-02 à la lumière de ces nouvelles contraintes nucléaires. La thèse s'articulera autour de l'analyse des données NA61/SHINE, en particulier celles concernant la fragmentation de l'oxygène à 12,5 et 150 GeV par nucléon. Le travail comprendra :
- la calibration des détecteurs, notamment l'alignement des chambres à projection temporelle (TPC), la calibration des gains et des vitesses de dérive, ainsi que la calibration des détecteurs de faisceau en amont de la cible pour identifier et sélectionner les isotopes projectiles ;
- l'identification des particules à l'aide des systèmes de temps de vol et des TPC du spectromètre NA61/SHINE ;
- la reconstruction et la sélection des événements, avec une optimisation du suivi des traces pour les états finaux de faible multiplicité et l'identification des amas dans les TPC ;
- l'extraction des sections efficaces de production inclusive pour toutes les combinaisons projectile-cible mesurées, en corrigeant les efficacités de sélection, les contributions de fragmentation en cascade et les réinteractions dans la cible et le matériau du détecteur à l'aide de méthodes pilotées par les données et de simulations Geant4 ;
- la détermination des rendements isotopiques des fragments par ajustement de templates sur les distributions de rigidité mesurées avec les TPC ;
- la mise à jour des paramétrisations de sections efficaces et des modèles d'apprentissage automatique développés au sein de l'équipe, puis leur utilisation pour réinterpréter les données récentes d'AMS-02.

Le ou la candidat(e) doit être titulaire d'un master (ou diplôme équivalent) en physique des particules, physique des astroparticules, physique nucléaire ou dans un domaine étroitement apparenté, obtenu avec de très bons résultats.

Un fort intérêt pour l'analyse de données est indispensable. Le ou la candidat(e) doit également posséder une expérience pratique de l'analyse de données et du calcul scientifique, en C++ ou en Python.

Un bon niveau d'anglais est requis, tant à l'écrit qu'à l'oral, pour travailler au sein d'une collaboration internationale et publier dans des revues à comité de lecture.

Le ou la candidat(e) doit faire preuve d'autonomie, de rigueur et d'un goût prononcé pour le travail en équipe, dans un contexte de collaboration franco-allemande et internationale. Une aptitude à communiquer et à présenter des résultats scientifiques est également attendue.

• Python
• C++
• Anglais
• Travail en équipe
• Autonomie
• Machine learning
• Analyse de données