Time-tagging précis et tracking des leptons dans des faisceaux de neutrinos de nouvelle génération avec des détecteurs PICOSEC-Micromegas de grande surface. // Precise time tagging and tracking of leptons in Enhanced Neutrino Beams with large area PICOSEC

Le projet ENUBET (Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging) vise à développer un faisceau de neutrinos « monitoré » dont le flux et la composition en saveurs sont connus avec une précision au pourcent près, afin de permettre des mesures de sections efficaces de neutrinos d’une précision inédite. Pour cela, le tunnel de désintégration est instrumenté pour détecter et identifier les leptons chargés issus des désintégrations de kaons.
Le Micromegas PICOSEC est un détecteur gazeux à microstructures rapide et à double étage d’amplification, combinant un radiateur Tcherenkov, une photocathode et une structure Micromegas. Contrairement aux Micromegas classiques, l’amplification s’y produit également dans la région de dérive, où le champ électrique est plus intense que dans la région d’amplification principale. Cette configuration permet d’atteindre des résolutions temporelles exceptionnelles, de l’ordre de 12 ps pour les muons et d’environ 45 ps pour les photoélectrons uniques, faisant du PICOSEC l’un des détecteurs gazeux les plus rapides jamais réalisés.
L’intégration de modules Micromegas PICOSEC de grande surface dans le tunnel de désintégration d’ENUBET permettrait un horodatage des leptons avec une précision inférieure à 100 ps, améliorant l’identification des particules, réduisant le pile-up, et facilitant la corrélation entre les leptons détectés et leurs kaons parents — une étape clé vers des faisceaux de neutrinos à flux contrôlé avec précision.
Dans le cadre de cette thèse, le candidat ou la candidate participera à l’optimisation et à la caractérisation de prototypes Micromegas PICOSEC de 10 × 10 cm², ainsi qu’à la conception et au développement de détecteurs de plus grande surface pour l’expérience nuSCOPE et l’instrumentation du hadron dump d’ENUBET.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

The ENUBET (Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging) project aims to develop a monitored neutrino beam with a precisely known flux and flavor composition, enabling percent-level precision in neutrino cross-section measurements. This is achieved by instrumenting the decay tunnel to detect and identify charged leptons from kaon decays.
The PICOSEC Micromegas detector is a fast, double-stage micro-pattern gaseous detector that combines a Cherenkov radiator, a photocathode, and a Micromegas amplification structure. Unlike standard Micromegas, it operates with amplification also occurring in the drift region, where the electric field is even stronger than in the amplification gap. This configuration enables exceptional timing performance, with measured resolutions of about 12 ps for muons and ~45 ps for single photoelectrons, making it one of the fastest gaseous detectors ever developed.
Integrating large-area PICOSEC Micromegas modules in the ENUBET decay tunnel would provide sub-100 ps timing for lepton tagging, improving particle identification, reducing pile-up, and enhancing the association between detected leptons and their parent kaon decays — a key step toward precision-controlled neutrino beams.
Within the framework of this PhD work, the candidate will optimize and characterize 10 × 10 cm² PICOSEC Micromegas prototypes, and contribute to the design and development of larger-area detectors for the nuSCOPE experiment and the ENUBET hadron dump instrumentation.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Département d’Electronique, des Détecteurs et d’Informatique pour la physique
Laboratoire : DÉtecteurs: PHYsique et Simulation
Date de début souhaitée : 01-10-2026
Directeur de thèse : PAPAEVANGELOU Thomas
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRFU/DEDIP/DETECS
URL : https://irfu.cea.fr/

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Département d’Electronique, des Détecteurs et d’Informatique pour la physique

Master in particle physics or BAC+5 equivalent