Cacracterisation et calibration de détecteurs cryogéniques à l'échelle de 100 eV pour la détection de la diffusion cohérente des neutrinos (CEvNS) // Characterization and calibration of cryogenic detectors at the 100 eV scale for the detection of coherent

DESCRIPTIONS:

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 grandeurs 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 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 [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 désexcite 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 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) [8].

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


ETAPES DU TRAVAIL:

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 désexcitation 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 neutrino 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.

COLLABORATIONS:

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).

REFERENCES:

[1] NUCLEUS Collaboration, Exploring CE?NS with NUCLEUS at the Chooz nuclear power plant, The European Physical Journal C 79 (2019) 1018.
15, 48, 160, 174
[2] R. Strauss et al., Gram-scale cryogenic calorimeters for rare-event searches, Phys. Rev. D 96 (2017) 022009. 16, 18, 78, 174
[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
(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 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) (https://arxiv.org/abs/2305.10139)
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DESCRIPTIONS:

The NUCLEUS experiment [1] aims to detect reactor neutrinos via coherent elastic neutrino–nucleus scattering (CEvNS). Predicted in 1974 and first observed in 2017, this process provides a unique opportunity to test the Standard Model at low energies. Because the scattering is coherent over the entire nucleus, the cross section is enhanced by several orders of magnitude, making CEvNS also promising for reactor monitoring using neutrinos.

The NUCLEUS experimental setup is currently being installed near the EDF nuclear reactors in Chooz (Ardennes, France), which constitute an intense neutrino source. The only physical signal of a CEvNS event is the tiny recoil of the target nucleus, with an energy below 1 keV. To detect this, NUCLEUS uses CaWO4 crystals of about 1 g, placed in a cryostat cooled to 15 mK. The nuclear recoil produces vibrations in the crystal lattice, equivalent to a temperature rise of about 100 µK, measured with a Transition Edge Sensor (TES) deposited on the crystal. These detectors achieve excellent energy resolutions of only a few eV and detection thresholds on the order of ~10 eV [2]. The NUCLEUS setup was successfully tested and validated in 2024 at TU Munich [3], and data taking at Chooz is scheduled to start in summer 2026, simultaneously with the beginning of the PhD. An initial contribution will involve data acquisition and analysis at the reactor site. More specifically, the PhD student will be responsible for the characterization of the deployed cryogenic CaWO4 detectors — stability, energy resolution, calibration, and intrinsic background of the crystal.

Calibration at the sub-keV scale is a crucial challenge for CEvNS (and dark matter) experiments. Until recently, it was extremely difficult to generate nuclear recoils of known energy to characterize detector responses. The CRAB method [4, 5] addresses this issue by using thermal neutron capture (25 meV) on nuclei that constitute the cryogenic detector. The resulting compound nucleus has a well-known excitation energy — the neutron separation energy — between 5 and 8 MeV, depending on the isotope. When it de-excites by emitting a single gamma photon, the nucleus recoils with a precisely determined energy given by two-body kinematics. A calibration peak in the desired energy range of a few hundred eV then appears in the detector’s energy spectrum. A first measurement in 2022, using a NUCLEUS CaWO4 detector and a commercial ²5²Cf neutron source, validated this method [6].

The second part of the PhD will take place within the “high-precision” phase of the project, which consists in performing measurements with a pure thermal neutron beam from the TRIGA-Mark-II reactor in Vienna (TU Wien, Austria). The calibration setup was successfully installed and characterized in 2025 [7]. It consists of a cryostat housing the cryogenic detectors to be characterized, surrounded by large BaF2 crystals for coincidence detection of the nuclear recoil and the gamma ray that induced it. The whole setup is placed directly on the neutron beam axis, which provides a flux of about 450 n/cm²/s. This coincidence technique will significantly reduce background and extend the CRAB method to a wider energy range and to materials used in most cryogenic detectors. These measurements are expected to provide a unique characterization of the response of cryogenic detectors in the energy region of interest for light dark matter searches and coherent neutrino scattering. In parallel with the measurement of nuclear recoils, the installation of a low-energy X-ray source in the cryostat will generate electronic recoils, enabling a direct comparison between the detector responses to sub-keV energy deposits produced by nuclear and electronic recoils.

The arrival of the PhD student will coincide with the completion of the measurement program on CaWO4 and Al2O3 detectors of NUCLEUS and with the start of the measurement programs on Ge (TESSERACT project) and Si (BULLKID project) detectors.
The high-precision measurements will also open a new sensitivity window to subtle effects coupling nuclear physics(nuclear de-excitation times) and solid-state physics (nuclear recoil times in matter, and the creation of crystal defects induced by nuclear recoils) [8].

The PhD student will be deeply involved in all aspects of the experiment: simulation, data analysis, and interpretation of the obtained results.

WORK PLAN:

The PhD student will actively participate in data taking and in the analysis of the first results from the NUCLEUS cryogenic CaWO4 detectors at Chooz. This work will be carried out in collaboration with the Nuclear Physics Department (DPhN), the Particle Physics Department (DPhP) of CEA-Saclay, and the TU Munich team. It will begin with familiarization with the CAIT analysis framework used for cryogenic detectors. The student will focus in particular on detector calibration, studying the detector response to electronic recoils induced by optical photon pulses injected through fibers and by X-ray fluorescence generated by cosmic rays. Once this calibration is established, two types of backgrounds will be investigated: Nuclear recoils in the keV range induced by cosmogenic fast neutrons, and a low-energy background, known as the Low Energy Excess (LEE), intrinsic to the detector.
The comparison between the experimental and simulated fast neutron background spectra will be analyzed in light of the differences between nuclear and electronic recoil responses measured in the CRAB project. The long data-taking periods at the Chooz site will also be used to study the time evolution of the LEE background. This work will be conducted in collaboration with solid-state physics experts from the Institute for Applied Sciences and Simulation (CEA/ISAS) to better understand the origin of the LEE, which remains a major open question in the cryogenic detector community.
The analysis skills acquired on NUCLEUS will then be applied to the high-precision CRAB measurement campaigns planned for 2027 at the TRIGA reactor (TU Wien) with Ge and Si detectors. The student will be deeply involved in the setup, data acquisition, and analysis of results. The planned measurements on germanium, using both phonon and ionization channels, have the potential to resolve the current ambiguity in the ionization yield of low-energy nuclear recoils, a key factor for the sensitivity of future experiments.
The high calibration precision will also be exploited to study fine effects in nuclear and solid-state physics, such as timing effects and crystal defect formation induced by nuclear recoils in the detector. This study will be conducted in synergy with teams from CEA/IRESNE and CEA/ISAS, who provide detailed simulations of nuclear de-excitation gamma cascades and molecular dynamics simulations of nuclear recoil propagation in matter.

Through this work, the student will receive comprehensive training as an experimental physicist, including strong components in simulation and data analysis, as well as hands-on experience with cryogenic techniques during the commissioning of the NUCLEUS and CRAB detectors. The proposed contributions are expected to lead to several publications during the PhD, with high visibility in the CEvNS and dark matter communities. Within the CEA, the student will also benefit from the exceptionally cross-disciplinary nature of this project, which already
fosters regular interaction among the communities of nuclear physics, particle physics and condensed matter physics.

COLLABORATIONS:

NUCLEUS: Germany (TU-Munich, MPP), Austria (HEPHY, TU-Wien), Italy (INFN), France (CEA-Saclay).
CRAB: Germany (TU-Munich, MPP), Austria (HEPHY, TU-Wien), Italy (INFN), France (CEA-Saclay, CNRS-IJCLab, CNRS-IP2I, CNRS-LPSC).

BIBLIOGRAPHY:

[1] NUCLEUS Collaboration, Exploring CE?NS with NUCLEUS at the Chooz nuclear power plant, The European Physical Journal C 79 (2019) 1018.
15, 48, 160, 174
[2] R. Strauss et al., Gram-scale cryogenic calorimeters for rare-event searches, Phys. Rev. D 96 (2017) 022009. 16, 18, 78, 174
[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
(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 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) (https://arxiv.org/abs/2305.10139)
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Service de Physique Nucléaire
Laboratoire : Laboratoire etudes et applications des reactions nucleaires (LEARN)
Date de début souhaitée : 01-10-2026
Ecole doctorale : PHENIICS (PHENIICS)
Directeur de thèse : LHUILLIER David
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRFU/DPHN/LEARN

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Service de Physique Nucléaire

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