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Physique corpusculaire et cosmos

Cacracterisation et calibration de détecteurs cryogéniques à l'échelle de 100 eV pour la détection de la diffusion cohérente des neutrinos (CEvNS)

Thèse

L'expérience NUCLEUS [1] cherche à détecter les neutrinos de réacteur via la diffusion élastique cohérente neutrino-noyau (CEvNS). Prédit en 1974 et mis en évidence pour la première fois en 2017, ce processus donne accès à des tests inédits du modèle standard à basse énergie. La cohérence de la diffusion sur l'ensemble du noyau augmente de plusieurs ordres de grandeur sa section efficace ce qui en fait également une opportunité pour la surveillance des réacteurs par les neutrinos. Le dispositif expérimental de NUCLEUS est en cours d'installation auprès des réacteurs EDF de Chooz (Ardennes, France) qui sont une source intense de neutrinos. Le seul signal physique d'un événement CEvNS est l'infime recul du noyau cible, avec une énergie très faible, inférieure à 1 keV. Pour le détecter NUCLEUS utilise des cristaux de CaWO₄ d'environ 1 g, placés dans un cryostat qui les refroidis à une température de 15 mK. Le recul du noyau provoque des vibrations du réseau cristallin équivalentes à une élévation de la température de ~100 µK, mesurée à l'aide d'un capteur Transition Edge Sensor (TES) déposé sur le cristal. Ces détecteurs permettent d'atteindre d'excellentes résolutions en énergie de seulement quelques ~eV et des seuils de détection de l'ordre de ~10 eV [2]. Le dispositif expérimental de NUCLEUS a été testé et validé en 2024 à TU‑Munich [3] et la prise de données à Chooz commencera à l'été 2026, en même temps que la thèse. Une première contribution portera sur l'acquisition des données sur site réacteur et leur analyse. Plus spécifiquement, l'étudiant(e) sera en charge de la caractérisation des détecteurs cryogéniques en CaWO₄ déployés : stabilité, résolution en énergie, calibration et bruit de fond intrinsèque au cristal.

La question de la calibration à l'échelle sub‑keV est un point crucial des expériences de CEvNS (et de matière noire). Or jusqu'à présent il était très difficile de générer des reculs nucléaires d'énergie connue pour caractériser la réponse des détecteurs. La méthode CRAB [4,5] répond à ce besoin en utilisant la réaction de capture de neutrons thermiques (énergie de 25 meV) sur les noyaux constituant le détecteur cryogénique. Le noyau composé résultant a une énergie d'excitation bien connue, l'énergie de séparation d'un neutron, comprise entre 5 et 8 MeV selon les isotopes. Dans le cas où il se déséxcite en émettant un seul photon gamma, le noyau va reculer avec une énergie qui est aussi parfaitement connue car donnée par la cinématique à deux corps. Un pic de calibration, dans la gamme recherchée de quelques 100 eV, apparaît alors dans le spectre en énergie du détecteur cryogénique. Une première mesure réalisée, en 2022, avec un détecteur en CaWO₄ de l'expérience NUCLEUS et une source de neutrons commerciale (252Cf) a permis de valider la méthode [6].

La deuxième partie de la thèse s'inscrit dans la phase "haute précision" de ce projet qui consiste à réaliser des mesures avec un faisceau pur de neutrons thermiques du réacteur TRIGA‑Mark‑II à Vienne (TU‑Wien, Autriche). Le dispositif expérimental de calibration a été installé et caractérisé avec succès en 2025 [7]. Il consiste en un cryostat contenant les détecteurs cryogéniques à caractériser, entouré de larges cristaux de BaF₂ pour une détection en coïncidence du recul nucléaire et du rayon gamma qui a induit ce recul. L'ensemble est placé directement sur l'axe du faisceau qui fournit un flux d'environ 450 n/cm²/s. Cette méthode de coïncidence réduira significativement le bruit de fond et permettra d'étendre la méthode CRAB à un plus large domaine d'énergie et aux matériaux constitutifs de la plupart des détecteurs cryogéniques. Nous attendons de ces mesures une caractérisation unique de la réponse des détecteurs cryogéniques, dans un domaine d'intérêt pour la recherche de la matière noire légère et la diffusion cohérente de neutrinos. En parallèle de la mesure de reculs nucléaires, l'installation d'une source de rayons X de basse énergie dans le cryostat permettra de générer des reculs électroniques ce qui mènera à la comparaison directe de la réponse du détecteur à des dépôts d'énergie sous le keV produits par des reculs nucléaires et d'électrons.

L'arrivée en thèse de l'étudiant(e) coïncidera avec la finalisation du programme de mesure sur les détecteurs en CaWO₄ et Al₂O₃ de NUCLEUS et avec le début du programme de mesures sur le Ge (détecteur du projet TESSERACT) ainsi que sur le Si (détecteur du projet BULLKID). La haute précision permettra également l'ouverture d'une fenêtre de sensibilité à des effets fins couplant de la physique nucléaire (temps de déséxcitation du noyau) et de la physique du solide (temps de recul du noyau dans la matière, création de défauts cristallins lors du recul d'un noyau) [8].

L'étudiant(e) sera fortement impliqué dans tous les aspects de l'expérience : la simulation, l'analyse et l'interprétation des résultats obtenus.

L'étudiant(e) participera activement aux prises de données et à l'analyse des premiers résultats des détecteurs cryogéniques en CaWO₄ de NUCLEUS à Chooz. Ce travail sera réalisé en collaboration avec les groupes des départements de physique nucléaire (DPhN), de physique des particules (DPhP) du CEA‑Saclay et avec l'équipe de TU‑Munich. Il commencera par une prise en main du code d'analyse CAIT pour les détecteurs cryogéniques. L'étudiant(e) étudiera plus spécifiquement les aspects de calibration via la réponse des détecteurs aux reculs électroniques issus de pulses de photons optiques injectés par fibres et de rayons X de fluorescence induits par les rayons cosmiques. Une fois cette calibration établie deux types de bruit de fond seront étudiés : les reculs nucléaires induits dans la gamme du keV par les neutrons rapides cosmogéniques et un bruit fond à basse énergie, appelé Low Energy Excess (LEE), intrinsèque au détecteur. La comparaison en les spectres expérimentaux et simulés du bruit de fond de neutrons rapides sera discutée à la lumière des différences entre réponses nucléaires et électroniques mesurées dans le projet CRAB. Les longues périodes de prises de données sur le site de Chooz seront mises à profit pour étudier l'évolution temporelle du bruit LEE. Ce travail se fera dans le cadre d'une collaboration en cours avec des spécialistes de la physique des matériaux de l'Institut des Sciences Appliquées et de la Simulation (CEA/ISAS) pour comprendre l'origine du LEE, qui reste une question ouverte majeure dans la communauté des détecteurs cryogéniques.

Les compétences d'analyse acquises sur NUCLEUS seront ensuite mises à profit pour les campagnes de mesures CRAB de haute précision prévues en 2027 auprès du réacteur TRIGA (TU‑Wien) avec des détecteurs en Ge et Si. L'étudiant(e) sera fortement impliqué(e) dans la mise en place de l'expérience, dans la prise de données et l'analyse des résultats. Ces mesures prévues sur le Ge dans les canaux phonon et ionisation, ont le potentiel de lever l'ambiguïté actuelle sur le rendement d'ionisation des reculs nucléaires à basse énergie, qui sera un facteur déterminant de la sensibilité des expériences.

La haute précision de la calibration sera également exploitée pour étudier des effets fins de physique nucléaire et du solide (effets de timing et de création de défauts cristallins par le recul du noyau dans le détecteur). Cette étude sera réalisée en synergie avec les équipes de l'IRESNE et de l'ISAS au CEA qui nous fournissent des simulations détaillées des cascades gamma de déséxcitation nucléaire et des simulations de dynamique moléculaire pour le recul des noyaux dans la matière.

A travers ce travail l'étudiant(e) aura une formation complète de physicien(ne) expérimentateur(trice) avec de fortes composantes de simulation et d'analyse de données, mais aussi un apprentissage des techniques de cryogénie dans le cadre de la mise en service des détecteurs de NUCLEUS et CRAB. Les contributions proposées mèneront à plusieurs publications durant la thèse avec une forte visibilité dans les communautés de la diffusion cohérente de neutrinos et de la recherche de matière noire.

Au sein du CEA il (elle) bénéficiera du caractère exceptionnellement transverse de ce projet qui met déjà en interaction régulière les communautés de physique nucléaire, physique des particules et physique de la matière condensée.

• NUCLEUS : Allemagne (TU‑Munich, MPP), Autriche (HEPHY, TU‑Wien), Italie (INFN), France (CEA‑Saclay).
• CRAB : Allemagne (TU‑Munich, MPP), Autriche (HEPHY, TU‑Wien), Italie (INFN), France (CEA‑Saclay, CNRS‑IJCLab, CNRS‑IP2I, CNRS‑LPSC).

• [1] NUCLEUS Collaboration, Exploring CE?NS with NUCLEUS at the Chooz nuclear power plant, The European Physical Journal C 79 (2019) 1018.
• [2] R. Strauss et al., Gram‑scale cryogenic calorimeters for rare‑event searches, Phys. Rev. D 96 (2017) 022009.
• [3] H. Abele et al., Particle background characterization and prediction for the NUCLEUS reactor CE?NS experiment, https://arxiv.org/abs/2509.03559.
• [4] L. Thulliez, D. Lhuillier et al. Calibration of nuclear recoils at the 100 eV scale using neutron capture, JINST 16 (2021) 07, P07032.
• [5] Lien
• [6] H. Abele et al., Observation of a nuclear recoil peak at the 100 eV scale induced by neutron capture, Phys. Rev. Lett. 130, 211802 (2023).
• [7] H. Abele et al., The CRAB facility at the TUWien TRIGA reactor: status and related physics program, https://arxiv.org/abs/2505.15227.
• [8] G. Soum‑Sidikov et al., Study of collision and ^-cascade times following neutron‑capture processes in cryogenic detectors Phys. Rev. D 108, 072009 (2023).

PHENIICS (PHENIICS)

Paris‑Saclay

Saclay

Master2 ou ingénieur

01/10/2026

THULLIEZ Loïc
loic.thulliez@cea.fr
CEA
DRF/IRFU/DPhN/LEARN
CEA Saclay
DRF/IRFU/DPHN
Orme des merisiers Bat 703
91191 Gif‑sur‑Yvette CEDEX
0169087453

LHUILLIER David
david.lhuillier@cea.fr
CEA
DRF/IRFU/DPHN/LEARN
CEA/Saclay
DRF/Irfu/DPhN Bat 703
91191 Gif‑sur‑Yvette
01 69 08 94 97