Description

L’expérience CUPID (CUORE Upgrade with Particle ID) vise la mise en évidence de la désintégration double bêta sans neutrino, un processus fondamental pour déterminer la nature du neutrino (Majorana vs Dirac) et sonder la violation du nombre leptonique. CUPID s’appuie sur l’utilisation de bolomètres scintillants de grande masse, instrumentés avec des détecteurs de lumière de très haute sensibilité et opérés à très basse température, permettant une identification efficace des particules et une réduction drastique des bruits de fond.
La thèse contribuera à plusieurs volets essentiels à la préparation de CUPID et à l’atteinte de sa sensibilité cible :
(1) Développement et optimisation de détecteurs de lumière basés sur l’effet Neganov-Trofimov-Luke (NTL), visant à réduire les seuils en énergie, à renforcer la capacité de discrimination particule-γ/β/α et, de manière cruciale, à améliorer la réjection des événements de pile-up.
(2) Participation à l’assemblage et aux campagnes de tests des prototypes de tours CUPID au LNGS (Laboratoire Souterrain du Gran Sasso, Italie), en étroite collaboration avec les équipes internationales impliquées dans le projet.
(3) Analyse des données issues des tours prototypes, incluant l’extraction des performances bolométriques et photo-bolométriques, ainsi que l’évaluation quantitative de leur impact sur la sensibilité globale de CUPID.
(4) Analyse des données du démonstrateur CROSS au laboratoire souterrain de Canfranc, une installation capable d’atteindre la meilleure sensibilité mondiale sur le double bêta sans neutrino de l’isotope Mo-100, tout en fournissant une plateforme unique pour l’étude avancée des performances des détecteurs NTL, essentielles pour CUPID.
(5) Études du modèle de fond et simulations de sensibilité intégrant les résultats expérimentaux, afin de déterminer la capacité réelle de CUPID à explorer la région de masse effective du neutrino Majorana correspondant à la hiérarchie inversée.
Le doctorant développera ainsi un profil complet, à l’interface entre R&D instrumentale cryogénique, construction et exploitation de dispositifs bolométriques, analyse avancée de données et modélisation de sensibilité, au cœur d’une expérience internationale de tout premier plan en physique des neutrinos.

Compétences requises

- Connaissances de niveau Master en physique des particules et en physique nucléaire. - Bonne compréhension des interactions rayonnement–matière et des principes de détection. - Compétences en programmation scientifique, idéalement en Python et/ou C++, incluant l’analyse de données et la simulation numérique. - Maîtrise d’un environnement Linux et des outils standards d’analyse (ex. ROOT). - Aptitudes expérimentales : pratiques de laboratoire, notions d’électronique, intérêt pour les détecteurs cryogéniques ou bas bruit de fond. - Anglais courant, à l’oral comme à l’écrit, pour les réunions de collaboration, la documentation et les publications. - Bonnes capacités de communication et goût pour le travail en équipe internationale. - Autonomie, curiosité scientifique et aptitude à résoudre des problèmes complexes. - Disponibilité pour des séjours sur sites expérimentaux (LNGS, LSC).

Bibliographie

(1) CUPID Collaboration, CUPID, the CUORE Upgrade with Particle Identification, European Physical Journal C 85, 737 (2025). https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-025-14352-1
(2) The CROSS Collaboration (I. C. Bandac et al.), The 0ν2β-decay CROSS experiment: preliminary results and prospects, Journal of High Energy Physics 2020, Article 18 (2020). https://doi.org/10.1007/JHEP01(2020)018
(3) V. Novati, L. Bergé, L. Dumoulin, A. Giuliani, M. Mancuso, P. de Marcillac, S. Marnieros, E. Olivieri, D. V. Poda & A. S. Zolotarova, Charge-to-heat transducers exploiting the Neganov-Trofimov-Luke effect for light detection in rare-event searches, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 940, 320–327 (2019). https://doi.org/10.1016/j.nima.2019.06.11506
(4) D. V. Poda & A. Giuliani, Low-temperature light detectors for particle-identification in bolometric experiments, International Journal of Modern Physics A 32, 1743012 (2017).
(5) CUORE Collaboration (D. Q. Adams et al.), Search for Majorana neutrinos exploiting millikelvin cryogenics with CUORE, Nature 604, 53–58 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04497-4

Mots clés

Physique des neutrinos, Désintégrations rares, Détecteurs bas température, Expériences souterraines