Description

L’expérience NUCLEUS 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.
Le dispositif expérimental de NUCLEUS est en cours d’installation auprès des réacteurs EDF de Chooz (Ardennes, France), sources intenses 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, refroidis à 15 mK dans un cryostat. Le recul du noyau provoque des vibrations du réseau cristallin détectées par un capteur Transition Edge Sensor (TES) déposé sur le cristal. Cette technologie atteint des seuils de détection de l’ordre de ~10 eV. Le dispositif expérimental de NUCLEUS a été testé et validé en 2024 à TU-Munich et la prisse 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 répond à ce besoin en utilisant la réaction de capture de neutrons thermiques sur les noyaux constituant le détecteur. Le noyau composé résultant a une énergie d’excitation bien connue. Dans le cas où il se désexcite en émettant un seul photon gamma, l'énergie de recul du noyau est aussi parfaitement connue car donnée par la cinématique à deux corps. Ce gamma s'échappe facilement du détecteur, laissant le signal d'un reçu nucléaire calibré, dans la gamme recherchée de quelques 100 eV. Cette méthode à été validée par une première mesure réalisée avec un détecteur en CaWO4 de l’expérience NUCLEUS et une source de neutrons commerciale.
La deuxième partie de la thèse s’inscrit dans la phase « haute précision » de ce projet qui utilise un faisceau pur de neutrons thermiques du réacteur TRIGA-Mark-II à Vienne (TU-Wien, Autriche). Le dispositif expérimental a été installé et caractérisé avec succès cette année. 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 neutron. 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.
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 désexcitation 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).
L’étudiant(e) sera fortement impliqué dans tous les aspects de l’expérience : la simulation, l’analyse et l’interprétation des résultats obtenus.

Compétences requises

Formation en physique expérimentale, avec spécialisation en physique des particules ou physique nucléaire ou physique des réacteurs. Langages informatiques : Python, C++, ROOT (est un plus), Geant4 (est un plus)

Bibliographie

[1] NUCLEUS Collaboration, Exploring CEνNS 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 CEνNS 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 (https://arxiv.org/abs/2011.13803)
[5]https://irfu.cea.fr/dphp/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?id_ast=4970
[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) (https://arxiv.org/abs/2211.03631)
[7] H.Abele et al., The CRAB facility at the TU Wien TRIGA reactor: status and related physics program, (https://arxiv.org/abs/2505.15227)
[8] G. Soum-Sidikov et al., Study of collision and γ-cascade times following neutron-capture processes in cryogenic detectors Phys. Rev. D 108, 072009 (2023)

Mots clés

neutrino, détecteurs cryogéniques, physique nucléaire, calibration, physique du solide